Разработка и исследование динамического гониометра на основе фотоэлектрического преобразователя угла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Гончаров, Никита Викторович

• Гончаров, Никита Викторович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гончаров, Никита Викторович

Введение.

Глава 1. Современное состояние углоизмерительной техники.

1.1 Автоколлиматоры.

1.2 Интерференционные приборы.

1.3 Гониометры.

1.4 Лазерный гониометр.

1.4.1 Лазерный динамический гониометр в задачах калибровки многогранных призм и преобразователей угла.

1.4.2 Бесконтактное измерение угловых параметров движения объекта с помощью лазерного динамического гониометра.

Выводы по главе !.

Глава 2. Гониометр на основе фотоэлектрического преобразователя угла.

2.1 Принципы построения динамического гониометра на основе фотоэлектрического преобразователя угла.

2.2 Бесконтактное измерение углового положения "внешнего" объекта.

2.3 Особенности динамического гониометра, обусловленные использованием фотоэлектрического преобразователя угла.

2.3.1. Временной метод интерполяции в динамическом гониометре.

2.3.2. Систематическая погрешность и возможность ее компенсации.

2.4 Отдельные компоненты динамического гониометра и требования к ним.

2.4.1. Фотоэлектрический преобразователь угла.

2.4.2 Нуль-индикатор.

2.4.3 Привод.

2.4.4 Конструкция и компоновка динамического гониометра.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Влияние нестабильности скорости вращения на случайную погрешность динамического гониометра.

3.1 Влияние широкополосной составляющей нестабильности угловой скорости вращения.

3.2 Влияние узкополосной составляющей нестабильности угловой скорости вращения.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований динамического гониометра на основе фотоэлектрического преобразователя угла.

4.1 Калибровка ЛИР-3170А.

4.1.1. Исследование долговременной воспроизводимости систематической погрешности ЛИР-3170А.

4.1.2. Исследование влияния температуры.

4.1.3. Определение случайной погрешности ЛИР-3170А.

4.2 Результаты использования разработанного динамического гониометра при калибровке многогранной призмы.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование динамического гониометра на основе фотоэлектрического преобразователя угла»

Актуальность работы

В настоящее время угловые измерения ведутся во многих областях науки и техники: в машиностроении и приборостроении - для контроля геометрических параметров изделий и их пространственного положения, для точного позиционирования рабочих органов измерительной аппаратуры и станков; в навигации и ориентации - для определения положения ориентируемого объекта относительно выбранной системы координат или какого-либо ориентира; в ф строительстве - для контроля отдельных элементов и сооружений в целом; в астрономии и геодезии - для определения координат небесных или наземных объектов и т.п. Сфера использования методов и средств угловых измерений постоянно расширяется, что подтверждается большим числом публикаций, авторских свидетельств и патентов [1-12].

Важной тенденцией развития методов и средств угловых измерений является стремление к их полной автоматизации, повышению оперативности и надежности получаемой измерительной информации. Вследствие этого возникают требования к простоте конструкции, надежности в эксплуатации * высокой точности в достаточно большом диапазоне измеряемых или контролируемых угловых величин, возможности унификации отдельных узлов и даже конструкции в целом, высокой метрологической достоверности получаемых результатов, увеличению быстродействия, повышению срока службы измерительного прибора.

Одним из важнейших требований при проведении угловых измерений является обеспечение высокой точности, характеризуемой погрешностями измерений в десятые и даже сотые доли угловой секунды. Так например, щ современные визуальные автоколлиматоры фирмы Moeller-Wedel достигают точности угловых измерений порядка 1 угл.сек., а цифровые - порядка 0.03 угл.сек [9].

Наиболее интересным (с точки зрения дальнейшего развития) для нас является гониометрический метод угловых измерений. Современные пути развития измерительной техники привели в последние годы к производству цифровых гониометров, использующих в качестве отсчетного лимба фотоэлектрические преобразователи угла (ФПУ). Известный лазерный динамический гониометр [67] позволяет сегодня решать углоизмерительные задачи с точностью порядка 0.03 угл.сек. Но его создание является довольно дорогостоящим и технически сложным вследствие использования в качестве образцового датчика угла кольцевого лазера, технология производства которого достаточно сложна.

Все высокоточные углоизмерительные системы и комплексы (цифровые автоколлиматоры, интерферометры, лазерные гониометры) являются довольно дорогостоящими (несколько десятков тысяч долларов) и поэтому ими могут оснащаться крупные промышленные предприятия или национальные метрологические институты. Для малых и средних предприятий возникает потребность в недорогих и менее точных углоизмерительных системах. Например, для производства датчиков угла, одной из первостепенных задач выходного контроля является проведение процедуры калибровки изделий с минимальными временными и экономическими затратами. Для таких задач может быть вполне достаточно точностей порядка 0.5 угл.сек.

Данная работа направлена на разработку и исследование нового типа гониометра - динамического гониометра на основе фотоэлектрического датчика угла.

Цель работы - разработка нового типа динамического гониометра с использованием в качестве отсчетного лимба фотоэлектрического преобразователя угла.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

- разработка принципов построения динамического гониометра на основе ФПУ;

- разработка и исследование метода повышения точности угловых измерений динамического гониометра, основанного на измерении и последующем исключении систематической погрешности ФПУ;

- теоретический анализ погрешности временного метода интерполяции, обусловленной нестабильностью скорости вращения;

- разработка и изготовление макета гониометра;

- экспериментальное исследование точностных характеристик динамического гониометра.

Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что в ходе их выполнения впервые:

- Разработан метод угловых измерений с помощью динамического гониометра на основе фотоэлектрического преобразователя угла;

- Предложен метод предварительной калибровки фотоэлектрического преобразователя угла, позволяющий повысить точность измерений в несколько раз;

- Получена модель погрешности угловых измерений, учитывающая нестабильность скорости вращения ротора гониометра;

- Исследована зависимость результатов измерений от изменения окружающей температуры и определен дрейф систематической погрешности во времени.

Практическая ценность

В работе получены следующие практические результаты:

- разработанные новые методы угловых измерений, базирующиеся на теории лазерной динамической гониометрии и использовании фотоэлектрического преобразователя угла, привели к созданию углоизмерительной системы нового типа - динамического гониометра на основе ФПУ; созданы принципы построения нового класса динамических гониометрических систем на основе ФПУ, нашедших практическое применение. показана перспективность метода предварительной калибровки и последующей компенсации систематической погрешности ФПУ для повышения точности динамического гониометра; определено влияние низкочастотной и высокочастотной составляющей нестабильности угловой скорости вращения на результаты измерений при использовании временной интерполяции; показано, что систематическая погрешность ФПУ имеет хорошую долговременную воспроизводимость.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Гончаров, Никита Викторович

Основные результаты проделанной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Предложен, разработан и исследован новый тип динамического гониометра на базе ФПУ.

2. Экспериментальные исследования показали, что измерение с помощью кольцевого лазера и алгоритмическая компенсация систематической погрешности ФПУ существенно повышает точность предложенного динамического гониометра.

3. Для уменьшения погрешности дискретности счета выходного сигнала ФПУ предложена методика временной интерполяции сигнала, позволяющая уменьшить дискрет выходного сигнала ФПУ с 72 угл.сек до 0.01 угл.сек.

4. Теоретически исследовано влияние нестабильности угловой скорости вращения ротора гониометра на результат угловых измерений, а также экспериментально исследовано влияние изменения температуры на точность гониометра.

5. Испытания разработанного макета динамического гониометра, проведенные посредством калибровки аттестованной во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева многогранной призмы, показали, что его точностные характеристики находятся на уровне 0.35 угл.сек.

6. Разработан и экспериментально исследован макет динамического гониометра, точностные характеристики которого удовлетворяют требованиям, предъявляемым к метрологическому обеспеченикГ^ продукции, выпускаемой в условиях серийного производства

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гончаров, Никита Викторович, 2005 год

1. Лукьянов Д.П., Павлов П.А., Филатов Ю.В. Разработка унифицированного ряда лазерных гониометрических систем для машиностроения// Мат. всесоюзного семинара «Метрология в прецизионном машиностроении» -Саратов, 1990.

2. Порфирьев Л.Ф., Теория оптико-электронных приборов. -Л., Машиностроение, 1980.

3. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. -Л, Машиностроение, 1983

4. Батаян П.В., Коняхин И.А., Панков Э.Д. Контрольные элементы автоколлимационных угломеров с улучшенными метрологическими характеристиками //Оптический журнал. -1997, №1

5. Широкодиапазонные оптико- электронные автоколлиматоры на основе использования оптической равносигнальной зоны / Крайлюк А. Д., Мусяков В. Л., Панков Э. Д., Тимофеев А. Н., Ли Шифан // Известия вузов. Приборостроение. 2003. - Т. 46, N 8.

6. Стороженко А.Ф., Некрасов O.K. «Инженерная геодезия». М.: Недра, 1993.

7. Голубовский Ю.Н. Автоколлиматоры. -ОМП, 1970, №5.

8. Д.П.Лукьянов, П.А. Павлов, Ю.В. Филатов. Прецизионные бесконтактные системы контроля углового положения объекта. -Л. -Знание, 19849. каталог фирмы Moeller-Wedel по автоколлиматорам: http://www.moeller-wedel-optical.com/El-Autocolimators/Eoverview.htm

9. Two-dimensional real-time photoelectric autocollimator with double high sensitivity. Zhaoxiang Ge, Xiangning Li, Xiaoyang Wu. Proceedings of SPIE Volume:3898 Photonic Systems and Applications in Defense and Manufacturing. Nov 1999

10. Коняхин И.А. Развитие оптико-электронных автоколлимационных средств контроля угловых деформаций. Оптический журнал, Т.67, 2000

11. Голубовский Ю.М, Пивоварова JI.H., Новикова И.Н. и др. Фотоэлектрический автоколлиматор для высокоточных измерений//ОМП-1988 №3.

12. Коронкевич В.П., Ханов В.А. Современные лазерные интерферометры. Новосибирск, Наука, 1986.

13. Фриш С.Э. Оптические методы измерений. Интерферометрия.: Учеб.пособие. Изд-во ЛГУ, 1980, 288с.

14. Озолин В.В. Стабильные лазерные интерферометры для высокоточных физических измерений. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. -М., МАИ, 1989.

15. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика.- М.: Наука, 1985.

16. Коломийцев Ю.В. Интерферометры. -Л.: Машиностроение, 1976.

17. Коломийцев Ю.В., Новикова И.В. Интерференционные методы измерения углов. Реф. Обзор, 1978, №1920

18. Коронкевич В.П., Соболев B.C., Дубнищев Ю.Н., Лазерная интерферометрия, -Новосибирск, Наука, 1983

19. Коронкевич В.П., Ханов В.А. Лазерные интерферометры и их применение,, -Новосибирск ,1984, 102с.

20. Каталог ZYGO's Guide to Typical Interferometer Setups. 2004. -16c.

21. Shagam R.N., Wyant J.C. Optical frequency shifted for geterodyne interferometers using multipline rotating polarization retardes. -Appl.Opt, 1978 v.17

22. Dukes J.N., Gordon G.B., A 200-foot yardstick with graduations every microinch, Hewlett-Packard, 1980 v.21, N12

23. Cosijns S.J.A.G., Haitjemna H., Schellekens P.H.J. Modelling and verifying non-linearities in heterodyne displacement interferometry. Precision Engineering, 26 (4) 2002, pp.448-455

24. Привалов B;E.,Лазерные интерферометры для механических измерений: Учеб. пособие. Мех. Ин-т, -СПб, 1992, 56с.

25. Shroeder et al. Phase stepping interferometry: methods for reducing errors caused be camera nonlinearities. Appl.Opt. 41, 2002.

26. Фатеев Ю.Л. Разрешение фазовой неоднозначности в многобазовом интерферометре Электронный журнал "Исследовано в России". 2004, стр. 802811, http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/073 .pdf

27. W.T. Estler, Y.H. Queen. Angle metrology of dispersion prisms. STC Precision Engineering & Metrology, vol.2, 2000

28. Beyer,W.:Industrielle WinkelmeBtechnik. Expert Verlag, 1990 (Kontakt & Studium, Bd. 260).

29. Высокоточные угловые измерения /Д.А. Аникст, К.М. Константинович, И.В.Меськин и др.; под ред. Ю.Г. Якушенкова, М.: Машиностроение, 1987 -с. 480.

30. Шестопалов Ю.Н. Метрологическое обеспечение углометрии в машиностроении. Измерения, контроль, автоматизация. №2(78), 1991

31. Гониометр Г5М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

32. Марков Н.Н., Ганевский Г.М. Конструкция, расчет и эксплуатация контрольно-измерительных инструментов и приборов. -М.: Машиностроение, 1993.34.http://www.moeller-wedel-optical.com/Goniometer/EGonio 1 .htm рекламный проспект Moeller-Wedel (Germany)

33. Precision Engineering Division/ PTB, Braunschweig, 1989

34. T.Watanabe, H.Fujimoto, K.Nakayama et all. /Automatic high precision calibrating system for angle encoder. The American Physical Society. 13 march 2001. Session K40. http://flux.aps.org/meetings/YR01/MAR01/abs/G4060083.html

35. Catherin J.M., Dessus В., French Patent 1511089, granted 26.01.68.

36. Блантер B.E., Филатов Ю.В. Экспериментальное исследование точности измерительного преобразователя угла на основе кольцевого лазера. //Метрология, № 1,1979.

37. Лукьянов Д.П., Филатов Ю.В., Блантер Б.Э. Опыт и перспективы использования кольцевых лазеров в прецизионных угломерных системах. -Л. ЛДНТП, 1980.

38. Батраков А.С., Бутусов М.М., Лукьянов Д.П .и др. Лазерные измерительные системы. Под ред. Д.П.Лукьянова. -М., Радио и связь, 1981.

39. Ванюрихин А.И., Зайцев И.И. Автоматизированный гониометр на основе кольцевого лазера. Оптико-механическая промышленность, № 9, 1982.

40. Mokros J., Vu К.Х. Jemna mechanica a optika, 9 , 203 (1993).

41. Filatov Yu.V.,Loukianov D.P., Pavlov P.A.,Burnashev M.N., Probst R. Dynamic ring laser goniometer. Optical Gyros and their Application. NATO RTO AGARDograph 339, May 1999, 340pp.

42. Loukianov D.P., Pavlov P.A.,Filatov Yu.V. Simposium Gyro Technology, (Germany, Stuttgart, 1991).

43. Filatov Yu.V., Loukianov D.P., Probst R. Metrilogia, 34, 343 (1997).

44. Bournachev M.N., Kirianov K.E., Loukianov D.P.,Mezentsev, Filatov Yu.V.and Pavlov P.A. Meas. Sci.Technol., 9,1067 (1998).

45. Гончаров H.B. Развитие гониометрических методов и средств контроля углового положения объекта/ Н.В. Гончаров, Ю.В. Филатов// Гироскопия и навигация. -2002. -№3(38). -С.123.

46. Dynamic goniometers based on ring laser and optical encoder/ M. Bournachev, Y. Filatov N. Goncharov, D. Loukianov, P. Pavlov //Ultra precision measurements. Proc. of the 4-th Euspen International Conference, Glasgow, Scotland, UK, 2004, p.318-319.

47. Гончаров Н.В. Система бесконтактного измерения угловых параметров движения/ Н.В. Гончаров, Ю.В. Филатов// Второй политехнический симпозиум

48. Молодые ученые промышленности Северо-Западного региона»: Тез. докл., -СПб., 22 февраля 2002. -СПб.: СПбГТУ, 2002. -60с.

49. Бурнашев М.Н., Филатов Ю.В. Основы лазерной техники: Учеб.пособие: -СПб.: изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2000

50. С.Г. Зейгер, Ю.Л. Климанович, П.С. Ланда. Волновые и флуктуационные процессы в лазерах.-М., Наука, 1974

51. Тучин В.В., Флуктуации в газовых лазерах. Изд. Саратовского университета, 1981.

52. Климонтович Ю.Л., Ланда П.С. Источники естественных флуктуации в кольцевых лазерах //Журнал эксперим. и теор. физики -1970, Т.58

53. Ланда П.С. О предельной чувствительности лазерного гироскопа //Оптика и спектр., -1971 Т.30

54. Лукьянов Д.П., Мочалов А.В., Филатов Ю.В. Лазерные инерциальные системы: Учеб. Пособие /ТЭТУ. -С.Пб., 1995.

55. Filatov Yu.V., Loukianov D.P., Pavlov P.A., VDI Reports No.1118, 123 (1994).

56. Бурнашев M.H., Лукьянов Д.П., Павлов П.А., Филатов Ю.В. Лазерные системы динамической аттестации угловых преобразователей различного типа. Изв.ГЭТУ, вып. 509, стр.36-40, 1997.

57. Ю.В. Филатов, П.А. Павлов. Результаты калибровки МП с помощью лазерного гониометра ИУП-1Л. Известия ТЭТУ. Сборник научных трудов, вып. 509. СПб., 1997, с. 41.

58. Loukianov D.P., Pavlov Р.А.,Filatov Yu.V. Simposium Gyro Technology, Germany, Stuttgart, 1991.

59. Filatov Yu.V., Loukianov D.P., Probst R. Metrilogia, №34, p.343 (1997).

60. Bournachev M.N., Kirianov K.E., Loukianov D.P.,Mezentsev, Filatov Yu.V., Pavlov P.A. Meas. Sci.Technol., №9, 1067 (1998).

61. Filatov Yu.V., Loukianov D.P., Pavlov P.A., VDI Reports No. 1118, 123 (1994).

62. Burnashev M., Filatov Yu, Loukianov D, Pavlov P. Modified Laser Goniometer for Precision Angular Calibration of Test Beds in Dynamic Mode. Proceedings of 1-st EUSPEN internatioinal conference, Bremen, May 1999.

63. М.Н. Бурнашев, Д.П. Лукьянов, П.А. Павлов, Ю.В. Филатов. Развитие методов и средств динамической лазерной гониометрии. Квантовая электроника, т.ЗО, №2, 2000.

64. Домрачёв В.Г., Мейко Б.С. Цифровые преобразователи угла: Принципы построения, теория точности, методы контроля М.: Энергоатомиздат, 1984.

65. Гончаров Н.В. Разработка динамического гониометра на основе фотоэлектрического преобразователя угла/ Н.В. Гончаров// Молодые исследователи региону: Тез. докл., -Вологда: ВоГТУ, 2001. -114с.

66. Патент РФ №2222777. Гониометр, (зарегистрирован 27/01/2004) авторы: Бурнашев М.Н., Гончаров Н.В., Лукьянов Д.П., Павлов П.А., Филатов Ю.В.

67. Incremental Angle Encoders. /Catalog Heidenhain. Febr.200272. http://www.opticalencoder.com/summaries/cp-3700summary.html

68. A. Ernst /Digital linear and angular metrology, 1998

69. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника, -M., Радио и связь, 1982.

70. Дж.Бендат, А.Пирсол. Прикладной анализ случайных данных. -М., Мир, 1989, -540с.

71. Д. Химмельблау «Анализ процессов статистическими методами», -М., Мир, 1973

72. Каталог фирмы СКБ Измерительные Системы, С.Петербург, 2004.