Введение к работе
-3-I
Актуальность работы. Метрологическое обеспечение многих измерительных задач производственной и научной деятельностії предусматривает выполнение ряда аналогичных контрольно-измерительных процедур по определению углового пространственного положения объектов контроля относительно некоторой базы.
В частности, может быть сформирован следующий перечень типовых измерительных задач.
-
Контроль углового положения частей и блоков систем навигации, астроориентации, передачи референтного направления с целью повышения точности их работы. В частности, необходимы измерения угловых уходов гироплатформ, солнечных и звездных датчиков, учет разворота оптических элементов в перископах н системах передачи направления на горизонты горных выработок.
-
Измерения угловых деформаций натурных образцов и специальных моделей при испытаниях новых материалов и изделий, исследованиях напряженных состояний и устойчивости элементов конструкций, экспери-ментальных исследованиях в области технической механики.
-
Измерение угловых деформаций оснований, опорных плит, несущих элементов и направляющих крушгогабаріггаьгх экспериментальных установок (ускорители частиц, мтоонные детекторы) и приборных комплексов (оптические и радиотелескопы, составные рефлекторы) для уменьшения погрешности их измерений и увеличения достоверности получаемых результатов.
-
Контроль точности сопряжения и взаимного расположения частей и блоков в процессе монтажа и при работе в технологическом режиме для оборудования и агрегатов в строительстве, энергетике, промышленных производствах , машиностроении и приборостроении. Например, необхо-
-4-дам контроль установки по углу ферм, стеновых панелей, технологического оборудования, определение ориентации осей подкрановых балок и путей, измерения непрямолинейности направляющих кранов, лифтов и т. д.
-
Измерение взаимного углового положения рабочего органа и детали в процессе обработки, движущегося объекта при стыковке, блоков и узлов при сборке и юстировке средств производства в машиностроении и приборостроении, объектов научно-исследовательского назначения, транспортных средств. Например, такие измерения обязательны при испытаниях робототехнических систем, стыковке воздушных или космических объектов, монтаже авиационных и корабельных стапелей, координатных стендов, наземных радиотелескопов, блоков ускорителей частиц и т.д..
-
Оперативный контроль деформаций и прогибов нагруженных элементов промышленных и жилых сооружений: энергетических установок, нефте- и газопроводов фундаментов реакторов, пролетов мостов, плотин, стенок доков, резервуаров с целью мониторинга их состояния и повышения надежности и безопасности функционирования.
Для решения перечисленных задач широко используются оптические и оптико-электронные угломеры, к которым предъявляются следующие группы требований.
Первая группа определяется критерием метрологических параметров н включает требования по точности, диапазону измеряемых углов и дистанции измерения (рабочей дистанции до контролируемого объекта).
Вторая группа определяется критерием особой метрологической характеристики — количеством измеряемых угловых координат. В общем случае угловое положение контролируемого объекта определяется тремя угловыми координатами — углами последовательных поворотов относительно трёх ортогональных осей, одна из которых в исходном положении совпадает с линией, соединяющей контролируемый и базовый объекты ( угол и ось скручивания ), а две другие — ей перпендикулярны ( соответст-
венно, коллимационные углы и оси). При решении большинства задач перечня необходимы двухкоординатные и трёхкоординагные измерения.
Третья группа определяется критерием функциональных возможностей и включает требования по адаптивности (например, измерений при изменяющейся дистанции до контролируемого объекта), универсальности (например, перенастройки при изменении измерительной задачи), возможности автоматизации измерений.
Четвертая группа определяется прочими критериями: конструкционным, эксплуатационным, производственно-технологическим, стоимостным.
В наибольшей степени всей совокупности требований отвечают угломеры на основе геометрической оптики. При этом для решения задач перечня предпочтительно использование автоколлимаїщотшх углоизме-рителышх систем (АУС), что определяется их важной особенностью — отсутствием электрической связи с контролируемым объектом (на нём установлен пассивный отражатель- контрольный элемент).
Выпускаемые серийно оптические АУС с визуальным отсчетом вследствие субъективных погрешностей измерения и неавтоматизированного режима работы практически не могут использоваться для решения большинства задач, указанных в перечне.
Вместе с тем, известные оптико-электроттые АУС в основном являются однокоординатпыми специализированными системами с жёстким алгоритмом измерения, предназначены для решения узкого круга измерительных задач и оптимизированы лишь по точностному критергао. Двух и трёхкоординатные АУС реализованы в основном, в виде макетов и опытных образцов.
Также, к началу настоящей работы не были развиты прингхипы построения двух- и трёхкоординатньгх оптико-электронных АУС, отсутствовали методики расчета КЭ с заданными метрологическими свойствами.
Указанные обсгоятельства определяют актуальность исследований в области оптике—электронных угломеров на основе явлений геометрической оптики с непосредственным объектом исследования — системами, использующими автоколлимационный метод измерения.
Целью работы является разработка принципов построения, методов расчёта параметров и характеристик, теоретический анализ и экспериментальные исследования автоколлимационных углоизмерительных систем.
Для достижения указанной цели необходимо решить ряд задач.
1. По исследованию составляющих алгоритма автоколлимациошшх
измерений:
оптимизировать способ задания углового положения КЭ по точностному критерию;
исследовать закономерности отклонения орта отражённого пучка при поворотах различных зеркально-призменных систем, используемых в качестве КЭ;
оптимизировать параметры КЭ, исходя из требований первой и второй групп в плане увеличения точности измерения, диапазона измерения и рабочей дистанции, реализации двух- и трёхкоординатных измерений;
2. По исследованию АУС вцелом:
проанализировать основные тенденции развития АУС, следующие из сформулированных четырёх групп требований;
разработать принципы построения схем АУС (на системотехническом уровне) для двух- и трёхкоординатных измерений;
разработать алгоритмы измерения при использовании КЭ на основе различных типов отражающих зеркально-призменных систем.
3. По разработке методик:
расчёта параметров отражающих зеркально-призменных систем различных видов, используемых в качестве КЭ АУС;
габаритно-энергетического расчета параметров оптических элементов схемы АУС.
4. По экспериментальному исследовашпо:
синтезированных типов КЭ с расширенными метрологическими возможностями;
макетов каналов измерения отдельных угловых координат;
экспериментальных образцов двух- и трёхкоординатных АУС.
5. Отдельной задачей является исследование особенностей алгорит
мизации методик расчёта и разработка принципов построения компонентов
программного обеспечения САПР АУС на системном уровне.
Методы исследования. Теоретические исследоваїтя основаны на векторнс-матричном методе расчёта и разработанных на его основе оригинальных методиках исследования свойств зеркально-призменных систем.
В экспериментальной области при исследовании закономерностей функционирования разработанных КЭ и тестировании алгоритмов измерения угловых координат используется метод статистических испытаний (метод Монте-Карло) детерминированных и имитационных моделей функциональных элементов АУС. Модели реализованы в программной среде Turbo Pascal 7.0.
Эксперимеиталыше исследования макетов и опытных образцов КЭ и АУС реализованы на основе геодезических методов оценки точности определения направления по разработанной автором методике аттестации трёхкоординатных АУС. Эксперименты выполнялись на специально разрабо-ташюм контрольно-измерительном стенде. Обработка и оценка результатов экспериментов проводились по общепринятым методикам.
-8-Научная новизна работы. Разработка принципов построения и развитие методов расчёта параметров оптических и оптико-электронных авто-коллимационных углоизмерителышх систем с расширенными метрологическими возможностями: двух- и трехкоординатные измерения, увеличение диапазона и дистанции измерения. Теоретическое и экспериментальное исследование их свойств, позволяющее выполнять проектирование и реализацию в соответствии с требованиями, определяемыми метрологической задачей.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Принципы построения КЭ для двух- и трёхкоорданатных измерений.
-
При использовании зеркально-призменных систем с плоскими отражающими гранями необходимо, чтобы КЭ представлял собой композицию из двух чувствительных элементов — для измерения угла скручивания и коллимационных углов, соответственно. Каждый из элементов для параллельного пучка лучей должен быть эквивалентен зеркальной системе с нечетным количеством отражений: первый — с тремя отражениями, второй —с альтернативой одного или трёх отражений, причём матрицы действия элементов должны иметь канонический вид в системе координат, связанной с КЭ.
-
При использовании зеркальной системы с неплоской отражающей гранью в виде фрагмента поверхности второго порядка - цилиндрической или конической - необходимо, чтобы КЭ представлял собой композицию из двух чувствительных элементов, каждый из которых для параллельного пучка лучей эквивалентен зеркальному триэдру, параметры матрицы действия которого различны для отдельных лучей и определяются положением точки падения луча на неплоскую отражающую грань. При этом для каждого отражаемого луча уникальной является только одна
-9-группа параметров матрицы действия: либо величина угла поворота относительно основного неизменного направления (цилиндрическая rpaim), либо координаты орта основного неизменного направления относительно осей системы координат, связанной с КЭ (коническая грань).
2. Принцип композиции двух чувствительных элементов при реали
зации КЭ дія двух- и трёхкоординатных измерений:
- при реализации двух чувствительных элементов — для измерения
угла скручивания и коллимационных углов на основе единого КЭ необхо
димо, чтобы зеркала или призма, образующие КЭ, были бы эквивалентны
не менее чем двум зеркальным системам с несовпадающими основными
неизменными направлениями и уникальными последовательностями отра
жения пучка от отражающих граней.
3. Принципы минимизации составляющей погрешности вследствие
взаимного влияния измерительных каналов при двух- и трёхкоординатных
измерениях (КЭ в виде зеркально-призменной системы с плоскими отра
жающими гранями).
-
По конфигурации КЭ — для независимого измерения угловых координат необходимо, чтобы для первого чувствительного элемента (для измерения скручивания) основное неизменное направление его эквивалентной системы было бы параллельно коллимационной оси (и являлось единственным неизменным направлешем системы), а для второго (для измерения коллимациоіпіьіх углов) — параллельно оси скручивания.
-
Принцип описания пространственной угловой ориентации контролируемого объекта — необходимо, чтобы:
угловые координаты объекта задавались как углы Эйлера-Крылова;
второй и третий углы Эйлера-Крылова определялись как повороты относительно неизменных направлений эквивалентных зеркальных систем двух чувствительных элементов, составляющих КЭ, первое из которых параллельно коллимационной оси, а второе — оси скручивания.
-10-3.3. По выбору измерительной системы координат — необходимо, чтобы орты падающего и отражённого пучков определялись относительно неподвижной системы координат, повёрнутой на определённый угол относительно основного неизменного направления, параллельного коллимационной оси — при измерении утла скручивания или оси скручивания — при измерении коллимациоїшьіх углов.
4. Принципы минимизации составляющей погрешности вследствие
взаимного влияния измерительных каналов при двух- и трёхкоординатных
измерениях (КЭ в виде зеркальной системы с одной неплоской отражаю
щей гранью).
-
По конфигурации КЭ с конической отражающей гранью — необходимо, чтобы плоскость основных неизменных направлений одного из составляющих чувствительных элементов была бы параллельна координатной плоскости, содержащей ось скручивания и одну из коллимационных осей (для КЭ с цилиндрической отражающей гранью справедливо положение 2.1).
-
По принципу описания пространственной угловой ориентации контролируемого объекта — необходимо, чтобы первый и второй углы Эйлера-Крылова определялись как повороты относительно оси скручивания и коллимационной оси, параллельной плоскости основных неизменных направлений (для конической грани) или основному неизменному направлению (для цилиндрической).
5. Принципы измерения угловой пространственной ориентации при
использовании КЭ с отражающей гранью в виде фрагмента поверхности
второго порядка:
- измерение трёх угловых координат выполняется в результате анализа автоколлимационного изображеїшя в виде группы дуг кривых второго порядка — эллипсов;
-п-
- угол скручивания измеряется как угол поворота всего изображе
ния относительно центра углового поля;
- коллимационные утлы определяются по параметрам отдельных эллиптических дуг: один из коллимационных углов — изменением величины одной полуоси, второй коллимационный угол — величиной угла поворота относительно центра эллипса.
6. Принцип выбора базовой зеркально-призменной системы для реализации КЭ при двух- и трёхкоординатных измерениях:
универсальной конструктивной реализацией являются зеркальный триэдр и стеклянный тетраэдр, величины углов между отражающими гранями которых имеют отклонения от 90;
для увеличения диапазона измерения и (или) дистанции измерения одна из отражающих гранен зеркального триэдра выполняется в виде фрагмента цилиндрической поверхности;
для измерений при изменяющейся дистанции до контролируемого объекта или переменпом диапазоне измерения одна из отражающих граней зеркального триэдра выполняется в виде фрагмента конической поверхности;
- при диапазоне измерения коллимационных углов существенно меньшем диапазона измерения угла скручивания, эффективно использование призмы БР-180 с пирамидальностыо и систем на её основе.
7. Необходимые условия уменьшения составляющей погрешности измерения вследствие виньетирования пучка оптическими элементами АУС. 7.1. По наложению входного зрачка:
- в случае, если входным зрачком измерительного оптико-
электронного преобразователя (ИОЭП) АУС является непосредственно оп
рава КЭ, приемітагй объектив не должен ограничивать пучков, формирую
щих автоколлимационное изображение;
при входным зрачке ИОЭП АУС, определяемым приёмным объективом, соответствешю, оправа КЭ, не должна ограничивать пучков, формирующих автоколлимационное изображение;
необходимо, чтобы входной зрачок ИОЭП располагался в зоне постоянной облучённости пучка, сформированного предыдущим элементом оптической схемы.
7.2. По положению полевой диафрагмы :
в случае, если удвоенное расстояние между автоколлиматором и КЭ меньше дистанции формирования излучаемого пучка, излучающая марка, определяющая автоколлимациониое изображение должна быть расположена в фокальной плоскости объектива канала формирования;
в случае, если удвоенное расстояние между автоколлиматором и КЭ больше дистанции формирования излучаемого пучка, марка, определяющая автоколлимационное изображение должна быть расположена в выходном зрачке объектива автоколлиматора, при этом канал измерения должен быть построен по авторефлексиоиной схеме.
8. Принципы выбора структуры АУС по критерию минимизации поперечных габаритов оптических элементов в зависимости от условий измерительной задачи.
-
При изменяющейся в широких пределах или заранее неизвестной дистанции до контролируемого объекта оба канала измерения — коллимационных углов и угла скручивания должны выполняться по автоколлимационной схеме.
-
При известной дистанции до контролируемого объекта в случае относительно малого её изменения в процессе измерения:
канал измерения коллимационных углов выполняется по автоколлимационной схеме;
измерение угла скручивания выполняется автоколлимационным методом, но канал измерения построен по коллимационной схеме.
-13-8.3. При фиксированной дистанции до контролируемого объекта и использовании для измерения коллимационных углов чувствительного элемента, эквивалентного плоскому зеркалу:
канал измерения коллимационных углов выполняется по авто-рефлексионной схеме;
канал измерения угла скручивания выполняется по автоколлимационной схеме с совмещёнными оптическими элементами ( объектив автоколлиматора установлен непосредственно на входной грани КЭ).
Практическая ценность работы.
1. Разработаны следующие методики расчёта:
параметров матриц действия КЭ в виде зеркальных триэдров и стеклятгаых тетраэдров по исходным параметрам их конфигурации;
параметров конфигурации КЭ с плоскими отражающими гранями, обладающих требуемыми метрологическими свойствами;
- параметров матриц действия КЭ в виде зеркальных триэдров и
стеклянных тетраэдров с неплоской отражающей гранью по исходным па
раметрам их конфигурации;
параметров конфигурации КЭ с отражающей гранью в виде фрагмента цилиндрической или конической поверхности, обладающих требуемыми метрологическими свойствами;
габаритного расчёта параметров элементов оптической схемы АУС, определяющих условие минимизации составляющей погрешности измерения вследствие виньетирования рабочего пучка.
2. Разработаны и исследованы схемы АУС:
- для двух- и трёхкоординатных измерений при использовании КЭ
на основе зеркального триэдра и стеклянного тетраэдра с плоскими отра
жающими гранями;
- для двух- и трёхкоординагных измерений при использовании КЭ с негшоской отражающей гранью;
- с увеличенной чувствительностью измерения угла скручивания; - - для измерения угла скручивания при неизменной дистанции до контролируемого объекта (схема с совмещёнными оптическими элементами);
3. Получены экспериментальные данные по практически реализуемым метрологическим характеристикам (погрешность измерения, диапазон измерения, рабочая дистанция) разработанных по материалам исследований двух- и трёхкоординатных АУС.
А. Выполнена алгоритмизация полученных расчётных соотношений и разработан автоматизированный программный комплекс поддержки проектирования АУС.
Личный вклад автора. Диссертация написана по материалам исследований, выполненных лично автором, при его непосредственном участии или под его руководством. Автором выполнены исследования, определившие защищаемые положения и разработанные методики расчёта. Соавторство, в основном, относится к анализу отдельных характеристик некоторых КЭ, к разработке, проведению экспериментальных исследований и внедрению конкретных АУС.
Реализация результатов работы отражена одиннадцатью актами внедрения методик расчета и образцов АУС от предприятий и организаций, в том числе: АО 'ЪНИИТРАНСМАШ", войсковой части 41513, Санкт-Петербургского филиала института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн (ИЗМИР РАН), Научно-исследовательского института комплексных испытаний оптико-электронных приборов (Санкт-Петербург), ЦКБ ПО Уральский оптико-механический завод, Уральского
-15-государственного университета, Санкт - Петербургского Государственного института точной механики и оптики (ГИТМО), Экспериментально-опытного завода ЛИТМО, Ленинградского института водного транспорта, и других предприятий. Среди внедренных образцов АУС три защищены авторскими свидетельствами.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
Второй Международной конференции по проблемам физической метрологии "Физмет'96" (Санкт-Петербург, 1996 г.), Международной конференции "Прикладная оптика - 96" (Санкт-Петербург, 1996 г.);
II Всесоюзной научно - технической конференции "Применение лазеров в приборостроении, машиностроении и медицинской технике" (Москва, 1979 г.), Всесоюзной конференции "Оптические и оптико-электронные методы и приборы для точных линейных измерений и оптронная техника" (Киев, 1990 г.), Всесоюзном семинаре "Оптико-электрошше методы и средства в контрольно-измерительной технике" (Москва, 1991 г.);
- научно-техническом семинаре "Применение оптико-электронных
приборов в контрольно-измерительной технике" ( Москва, 1976 г.), семи
наре "Сборка и юстировка оптико -механических и оптико-электронных
приборов" (Москва, 1977 г.), научно -техническом семинаре "Оптико-элек
тронные приборы в системах контроля и управления (Москва, 1978 г.), на
учно-технической конференции "Оптические и оптико-электронные мето
ды и приборы для точных угловых и линейных измерений и оптронная
техника" (Киев, 1989 г.);
научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского состава ИТМО (Ленинград-Санкт-Петербург 1979, 1980,1986,1995,1996 гг.);
- XII и XIII научно-технических конференциях молодых специалистов (Ленинград, 1978, 1980 гаг.), I и II Всесоюзных конференциях молодых ученых и специалистов (Ленинград, 1984, 1986 гг.), XVIII научно-технической конференции молодых ученых и специалистов отрасли (Красногорск-1989).
Трёхкоординатный автоколлиматор и опытный образец трёхкоорди-натной оптико-электронной АУС, реализованные с использованием материалов диссертационной работы экспонировались на ВДНХ (1980,1981 г.)
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в монографии и 50 научных трудах, в том числе в 11 авторских свидетельствах на изобретения, 1 патенте, 38 статьях и тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертационная работая состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и двух приложений. Работа содержит 524 страницы, включая 16 Таблиц, 234 рисунка; библиографический список включает 225 наименований.
