Введение к работе
1.1. Актуальность темы
Перспективным направлением развития эталонной техники в области измерений размеров и перемещений является создание автоматизированных средств калибровки (АСК) приборов размерного контроля деталей, обеспечивающих определение их метрологических характеристик методом прямого воспроизведения перемещений на входе приборов по сигналу управления с нормированной точностью при высокой разрешающей способности. Применение АСК в качестве рабочих эталонов, а также средств проверки параметров настройки приборов размерного контроля, позволит создавать высокопроизводительные автоматизированные поверочно-настроечные комплексы с использованием управляющих ЭВМ и микропроцессоров.
Наиболее актуальной является проблема создания АСК для приборов размерного контроля с диапазоном измерений от ± 3 мкм до ± 0,1 мм и нормированной основной погрешностью, составляющей десятые доли мкм. В соответствии с метрологическими нормами погрешность воспроизведения микроперемещений при определении метрологических характеристик приборов размерного контроля не должна превышать десятых, а в отдельных случаях и сотых долей мкм. С учетом дополнительных требований к линейности, плавности и равномерности воспроизведения микроперемещений возникают значительные трудности технической реализации автоматизированных средств, отвечающих перечисленным требованиям.
Одним из приемлемых технических решений проблемы автоматизации воспроизведения перемещений в микрометрическом диапазоне является создание АСК, выполненных на базе аналогового пьезопривода. Вместе с тем, имеется ряд факторов, ограничивающих точность и воспроизводимость микроперемещений посредством пьезопривода. Принципиальным предложением по улучшению метрологических характеристик пьезопривода является его оснащение эталонным обратным измерительным преобразователем микроперемещений. Однако, вопросы создания АСК на базе пьезопривода с обратными измерительными преобразователями требуют дальнейшего изучения, направленного на разработку эффективной структуры системы управления АСК и оптимизацию параметров ее элементов.
1.2. Современное состояние проблемы
Действующие методики градуировки и поверки (калибровки) средств измерений размеров и перемещений с ценой деления шкалы от 1,0 мкм и более основаны на прямом измерении изменения размеров, воспроизводимых эталонными мерами с шагом дискретности 10 мкм. Для средств измерений с ценой деления шкалы 0,1; 0,2; 0,5 мкм применяют метод сличения показаний поверяемого и эталонного средств измерений путем одновременного воспроизведения на их входах изменения размера эталонными мерами более высокого разряда с шагом дискретности 1,0 мкм. Градуировка участков шкалы в пределах 1,0 мкм производится простым делением длины участка шкалы между оцифрованными метками. Необходимость применения набора мер чрезвычайно ограничивает производительность градуировочно-поверочных операций, делает их трудоемкими и требует высокой квалификации поверителя.
Не менее проблематичными являются вопросы настройки, а также проверки параметров настройки средств контроля размеров (приборы допускового контроля, контрольно-сортировочные устройства, приборы активного контроля). Настройка средств контроля производится, главным образом, с помощью аттестованных образцов контролируемых деталей, а проверка параметров настройки - плавным двунаправленным контролируемым изменением размера на входе средства контроля. В последнем случае
для воспроизведения изменения размера применяют клиновые приспособления, что в силу их механического устройства не снимает проблему низкой производительности. Кроме того, погрешность воспроизведения микроперемещений ограничена пределами ±0,5 мкм, что в ряде случаев не достаточно для выполнения требований к достоверности полученных результатов.
Повышение производительности и достоверности поверочно-настроечных операций в микрометрическом диапазоне связано с решением проблемы автоматизированного воспроизведения перемещений с требуемой точностью и разрешающей способностью. Техническое решение проблемы заключается в создании высокоточного автоматизированного привода микроперемещений. Анализ метрологических требований и технических возможностей их реализации показывает, что наиболее приемлемым решением является создание АСК на базе аналогового пьезопривода линейных микроперемещений. Исполнительные элементы пьезопривода выполняются из многослойной пьезокерамики и при соответствующем выборе типоразмера и количества пьезоэлементов обеспечивают требуемый диапазон перемещений.
Высокая разрешающая способность пьезопривода, повторяемость характеристик преобразования при неизменных условиях их определения, обусловленные физической сущностью обратного пьезоэффекта, относительная простота и удобство управления с помощью электрического сигнала являются благоприятными факторами автоматизации воспроизведения микроперемещений. С другой стороны, имеется ряд факторов ограничивающих возможность применения пьезопривода для рассматриваемых целей. К их числу относятся нелинейность и многозначность статической характеристики преобразования, явление ползучести пьезокерамики, выражающееся в медленном изменении первоначально установившегося значения в течение нескольких минут, а так же временная нестабильность параметров пьезоэлементов. Именно по этой причине до настоящего времени пьезопривод не нашел своего применения для высокоточного воспроизведения микроперемещений.
1.3. Цель работы и задачи исследования
Цель данной диссертационной работы - повышение производительности и достоверности операций определения метрологических характеристик приборов размерного контроля геометрических параметров деталей путем создания высокоточных АСК, выполненных на базе аналогового пьезопривода, конструктивно совмещенного с эталонным обратным измерительным преобразователем микроперемещений. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
экспериментальное исследование и математическое моделирование
статических характеристик пьезоприводных АСК;
теоретическое исследование и оценка погрешности воспроизведения
микроперемещений в позиционных режимах работы АСК;
разработка математических моделей динамических характеристик
пьезопривода АСК и исследование его динамического качества;
разработка алгоритмического обеспечения для имитационного моделирования
и исследования полных характеристик преобразования «управляющее напряжение - перемещение подвижного звена механизма»;
разработка типовых конструкций исполнительных механизмов АСК с
многослойными пьезокерамическими элементами и обратным преобразователем;
разработка структурных схем построения АСК с обратным каналом
компенсации ошибки;
анализ и синтез параметров системы управления;
разработка типовых моделей АСК, методики расчета и проектирования параметров их элементов.
1.4. Методы исследования
В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования, а также метод имитационного моделирования.
Теоретическое исследование базировалось на методах интегральных преобразований, численных методах решения дифференциальных уравнений, методах анализа и синтеза теории автоматического регулирования. При обработке экспериментальных данных и оценке погрешностей использовались методы математической статистики и теории вероятностей.
1.5. Научная новизна работы
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность
автоматизированного воспроизведения микроперемещений с погрешностью не более 0,1 мкм при разрешающей способности 0,01 мкм на основе создания пьезоприводных АСК с обратным каналом компенсации ошибки перемещения.
Разработаны адекватные математические модели разомкнутых и
комбинированных структур системы управления АСК в форме:
системы линейных дифференциальных уравнений с многозначной статической нелинейностью;
передаточных функций с замещением отклонений от линейности эквивалентными возмущающими воздействиями.
Разработано алгоритмическое обеспечение для имитационного
моделирования и исследования полных характеристик преобразования «управляющий сигнал - микроперемещение».
Получены аналитические выражения для оценки погрешности
воспроизведения микроперемещений посредством аналогового
пьезопривода.
Разработаны структурные схемы построения АСК, содержащих канал
управления по задающему воздействию и канал компенсации ошибки между задающим воздействием и выходным перемещением подвижного звена.
Разработана методика расчета, оптимального выбора параметров элементов
и системы управления АСК.
1.6. Практическая ценность заключается в следующем:
Разработаны типовые конструкции исполнительных механизмов АСК, обеспечивающих микроперемещения в пределах до ±0,5 мм. Определены технические требования к геометрической точности размеров и взаимного расположения элементов исполнительного механизма, обеспечивающих высокую воспроизводимость и разрешающую способность микроперемещений;
разработаны модели автоматизированных средств калибровки АК-1, АК-2,
предназначенные для определения метрологических характеристик приборов размерного контроля в микрометрическом диапазоне;
разработаны рекомендации по расчету и проектированию элементов АСК, а
так же расчету параметров системы управления АСК;
разработаны рекомендации по поверке, калибровке и проверке параметров
настройки приборов размерного контроля.
1.7. Реализация работы
Разработанные типовые конструкции исполнительных механизмов внедрены на операциях калибровки средств контроля микроперемещений в НИИ «ЭЛЛА». Предложенные методики расчета и проектирования элементов автоматизированных средств калибровки использованы в учебном процессе ГОУ ВПО МГУПИ на кафедре «Метрология, сертификация и диагностика».
1.8. Апробация работы
Материалы диссертации представлены в сборнике тезисов докладов на Международной молодежной научной конференции НОЕМВРИ-1989 (Варна, 1989 г.), в сборнике тезисов докладов на Всесоюзной конференции «Современные проблемы физики и ее приложений» (Москва, 1990 г.), в сборнике тезисов докладов на Международной научно-технической конференции «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем» (Пенза, 1992 г.), в сборнике научных трудов межвузовской научно-технической конференции «Фундаментальные основы создания наукоемких и высокотехнологичных приборов» (Москва, 1997), в сборнике тезисов докладов 6-го Всероссийского Совещания-семинара «Инженерно-физические проблемы новой техники» (Москва, 2001), в сборнике научных трудов X МНПК «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики» (Москва, 2007 г.).
Результаты работы доложены и одобрены на научно-технических семинарах в МГУПИ, МНПО «Спектр», ВНИИМС. Технические решения защищены 3-мя авторскими свидетельствами.
1.9. Основные положения, выносимые на защиту:
результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик преобразования пьезопривода АСК;
алгоритмы оценки погрешностей воспроизведения микроперемещений;
обоснование структурных схем построения АСК комбинированного
принципа действия с обратным каналом компенсации ошибки;
методики расчета и проектирования элементов конструкции и системы управления АСК;
результаты экспериментальных исследований точностных возможностей
разработанных моделей АСК.
1.10. Публикации
По материалам выполненной диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
1.11. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Она содержит 138 страниц основного текста, 48 рисунков, 19 таблиц, список литературы из 101 наименования и приложения на 16 страницах.
