Разработка и исследование гониометрических систем контроля преобразователей угла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Агапов, Михаил Юрьевич

• Агапов, Михаил Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Агапов, Михаил Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЗОР МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА.

1.1 Цифровые преобразователи угла.

1.1.1 Классификация цифровых преобразователей угла.

1.1.2 Контролируемые параметры ЦПУ.

1.2 Методы контроля точности цифровых преобразователей угла.

1.2.1 Контроль ЦПУ с помощью угломерных приборов и мер.

1.2.2 Контроль ЦПУ с помощью образцового преобразователя угла

1.3 Лазерный гониометр.

1.3.1 Обобщенная схема и принцип действия лазерного гониометра

1.3.2 Анализ случайной погрешности лазерного гониометра.

1.3.3 Контроль точности ПУ с помощью лазерного гониометра.

1.4 Выводы по главе и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ЛАЗЕРНОЙ ГОНИОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЦПУ.

2.1 Анализ технических требований к ЛГС.

2.2 Классическая схема ЛГС для калибровки ЦПУ.

2.3 Методы увеличения точности измерений ЛГС.

2.3.1 Метод кросс-калибровки в задаче увеличения точности ЛГС

2.3.2 Метод кросс-калибровки с применением Фурье-анализа в задаче увеличения точности контроля преобразователей угла.

2.4 Динамическая гониометрическая система с инкрементным ЦПУ в качестве образцового преобразователя угла.

2.4 Применение ДГС при разработке высокоточных ЦПУ.

2.5 Расширение диапазона рабочих угловых скоростей ЛДГ.

2.6 Выводы по главе.

ГЛАВА 3 ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТА ИЗМЕРЕНИЯ

УГЛА И ДОСТОВЕРНОСТЬ КОДА ЦПУ.

3.1 Реальные распределения погрешностей ЦПУ.

3.2 Идентификация формы закона распределения погрешности.

3.2.1 Построение гистограммы.

3.2.2 Критерий согласия Пирсона.

3.3 Достоверность кода.

3.4 Исследования случайной погрешности ЛГС.

3.4.1 Статистическое распределение результатов измерений.

3.4.2 Функция распределения единичного результата измерений.

3.5 Экспериментальное определение достоверности кода ЦПУ.

3.6 Выводы по главе.

ГЛАВА 4 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ ЦПУ.

4.1 Оценка динамической погрешности преобразователя угла.

4.2 Анализ основных источников динамической погрешности ЛГС

4.2.1 Оценка динамической погрешности кольцевого лазера.

4.2.2 Оценка динамической погрешности нуль-индикатора.

4.2.3 Оценка полной динамической погрешности ЛГС.

4.3 Методика измерения динамической погрешности ЦПУ.

4.4 Динамическая погрешность фотоэлектрического кодового ЦПУ

4.5 Динамическая погрешность кодового ЦПУ, выполненного на основе СКВТ.

4.6 Динамическая погрешность инкрементных ПУ.

4.6.1 Преобразователь угла RON-905.

4.6.2 Преобразователь ПКГ-105М.

4.7 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование гониометрических систем контроля преобразователей угла»

Контроль точности преобразователей угла (ПУ) с информационной емкостью 11 бит и более (с дискретностью преобразования от единиц угловых секунд) является очень сложной и трудоемкой измерительной задачей, которая к настоящему времени получает все более эффективные решения.

Преобразователи угла находят широкое применение в различных автоматических системах навигации, контроля и управления, роботах, и во многом определяют функциональные возможности системы в целом. Поэтому к точности ПУ предъявляются очень высокие требования. Широкое применение в оборонной технике позиционных цифровых преобразователей угла и угловой скорости (в высокоточном оружии, информационно-управляющих системах, системах управления движением подвижных объектов и т.д.) определяет необходимость создания современной системы их метрологического обеспечения. Используемое в настоящее время метрологическое обеспечение преобразователей угол-код характеризуется рядом существенных недостатков. Контроль и поверка преобразователей производится обычно либо помощью с делительных головок, характеризующихся малым разрешением, существенными погрешностями и отсутствием возможности автоматизации процесса контроля, либо с использованием преобразователя угла такого же типа, принимаемого в качестве образцового. Для устранения указанных недостатков необходимо создание автоматизированной системы контроля параметров преобразователей угла в процессе их производства и приемо-сдаточных испытаний.

При проведении метрологической аттестации и периодической поверки преобразователей угла основной проблемой является выбор метода и средств поверки ПУ. Результатом поверки должна быть оценка абсолютной погрешности ПУ по входу. На практике ее значения находят в виде разности углов, соответствующих номинальному значению градуированной характеристики ПУ, и действительным их значением на границах смены значений кода. Погрешность, обусловленную дискретизацией, при необходимости, учитывают исходя из конкретных условий эксплуатации. Для рассматриваемых ПУ она, в ряде случаев, не принимается во внимание, если информацию с их выхода используют только при угловых положениях вала, соответствующих границам смены кода. Характерно также, что погрешность ПУ необходимо рассматривать в функциональной связи с изменениями входной угловой величины, поскольку эти изменения имеют систематический характер, предопределяемый назначением этих ПУ [2].

Применяемые методы и средства должны обеспечить получение систематической составляющей погрешности, выраженной в виде функции угла поворота, что удобно для ее оценки и последующего исключения в условиях эксплуатации. Также, в ходе проведения поверки ПУ, необходимо обеспечить измерение всех ступеней квантования (угловых шагов) поверяемого ПУ и получение необходимого количества данных для обработки результатов наблюдений. Необходимо добавить, что процесс поверки должен проводиться в режиме вращения этого ПУ, чтобы в результаты наблюдений входила динамическая составляющая погрешности поверяемого ПУ.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование динамических гониометрических систем, обеспечивающих контроль точностных параметров преобразователей угла с высокой точностью при сложном законе движение ротора преобразователя в широком диапазоне угловых скоростей.

Диссертация состоит из четырех глав, заключения и списка литературы.

В главе 1 приводятся данные о классификации ПУ и наборе параметров, которые характеризуют ПУ как измерительное устройство. Кроме того, в главе содержится обзор использующихся в настоящее время основных методов контроля точности ПУ. Остальные главы диссертации содержат результаты решения сформулированных в главе 1 основных задач диссертационной работы. В главе 2 приведены результаты разработки ряда динамических гониометрических систем, обеспечивающих контроль точности ПУ с высокой точностью в широком диапазоне угловых скоростей. Также приведены результаты применения различных методов, обеспечивающих повышение точности контроля ПУ. В главе 3 приведены результаты теоретической и практической оценки закона распределения вероятности погрешности результата измерения угла лазерным динамическим гониометром, построены доверительные интервалы этой оценки, проведена оценка достоверности кода конкретной модели ПУ на основе данных, полученных с помощью лазерного динамического гониометра. В главе 4 приведены результаты решения задачи оценки динамической погрешности ПУ с помощью динамической гониометрической системы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Устранение основных недостатков классической лазерной гониометрической системы (ЛГС), обеспечиваемое использованием процедуры кросс-калибровки и применением в качестве образцовой шкалы инкрементных ПУ, дает возможность эффективно использовать динамические гониометрические системы для контроля параметров ПУ, в том числе в условиях серийного производства последних.

2. Динамическая гониометрическая система позволяет проводить контроль высокоразрядных ПУ с регистрацией генеральной совокупности данных, что дает возможность построения корректной модели погрешности ПУ, которая может быть использована для алгоритмической компенсации погрешности в реальном масштабе времени, а также на этапе проектирования и изготовления ПУ.

3. Основные компоненты ЛГС совместно с интерференционным нуль-индикатором имеют достаточно малую временную задержку выходного сигнала, что позволяет использовать такую систему для оценки динамической погрешности ПУ при сложном законе движения его ротора.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Агапов, Михаил Юрьевич

4.7 Выводы по главе

Проведена теоретическая оценка динамической погрешности ЛГС, которая показала, что данный класс углоизмерительных систем можно использовать для определения динамической погрешности контролируемых ПУ.

Предложен метод определения динамической погрешности абсолютных и кодовых ГГУ, основанный на использовании в составе ЛГС преобразователя угла, погрешность которого не имеет ярко выраженной зависимости от значения угловой скорости вала ЛГС.

Приведены результаты экспериментальных исследований по определению динамической погрешности прецизионных ГГУ отечественного и импортного производства, а также отечественных фотоэлектрических кодовых ПУ и кодовых ПУ, выполненных на основе СКВТ. В результате анализа результатов эксперимента установлено совпадение теоретических и практических оценок величины динамической погрешности контролируемых прецизионных ГГУ. Также были получены зависимости величины динамической погрешности конкретных экземпляров ГГУ в виде функции значений угловой скорости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Рассмотрены основные методы контроля погрешности преобразователей угла посредством сравнения с эталонной шкалой, с использованием угломерных приборов и мер, при помощи ЛГС. Показано, что ЛГС обеспечивает контроль параметров ЦПУ с высокой точностью и достаточным уровнем автоматизации процесса измерений.

2. Проведен анализ основных недостатков ЛГС и предложены методы их устранения.

3. Преложен метод повышения точности угловых измерений ЛГС, основанный на учете в результатах измерения собственной погрешности ЛГС, которая может быть получена в общем случае двумя способами:

• применением процедуры кросс-калибровки при наличии в системе двух преобразователей;

• применением Фурье-анализа с привлечением априорной информации;

Рассмотрено применение ЛГС в задаче увеличения точности угловых измерений при помощи динамической гониометрической системы, использующей в качестве образцовой шкалы фотоэлектрические преобразователи угла. В результате точность угловых измерений ДГС может быть улучшена во всем диапазоне рабочих угловых скоростей. Приведены практические результаты применения предложенных методов.

4. Предложен метод оценки динамической погрешности преобразователей угла, основанный на использовании ЛГС совместно с нуль-индикатором.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Агапов, Михаил Юрьевич, 2009 год

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

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

3. Андерсен, Т. Статистический анализ временных рядов Текст. / М., Мир, 1976. - 755 с.

4. Мироненко, А. В. Фотоэлектрические измерительные системы (измерение линейных и угловых величин) Текст. М.: «Энергия», 1967. - 360 с.

5. Толстов, Г.П. Ряды Фурье Текст.: 3-е изд. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. - 384 с.

6. Уиттекер, Э., Математическая обработка результатов наблюдений Текст. / Уиттекер Э., Робинсон Г., ОНТИ, 1935.

7. Корн, Г. СПРАВОЧНИК ПО МАТЕМАТИКЕ для научных работников и инженеров Текст. / Корн Г., Корн Т. М., 1974. - 832 с.

8. Справочник по теории вероятностей и математической статистике Текст. / B.C. Соколюк, Н.И. Портенко, А.В. Скороход, А.Ф. Турбин М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985.-640 с.

9. Шляндин, В.М. Цифровые измерительные преобразователи и приборы. Учебник для специальности «Информационно-измерительная техника» Текст. М., «Высш.школа», 1973. — 280 с.

10. Оптические дисковые системы Текст. / Пер. с англ./Г.Боу-О-62 хьюз, Дж. Брат, А. Хейсер [и др.]; М.: Радио и связь, 1991. - 280 с.

11. Бычков, С.И. Лазерный гироскоп Текст. / Бычков С.И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И., под ред. проф. С. И. Бычкова. М.: «Сов. радио», 1975.-424 с.

12. Ахметжанов, А. А. Системы передачи угла повышенной точности Текст. / М. —Л.: «Энергия», 1966. - 272 с.

13. Батраков, А.С. Лазерные измерительные системы Текст. / Батраков, А.С., Бутусов М.М., Лукьянов Д.П. [и др.]; под ред. Д.П.Лукьянова. -М.: Радио и связь, 1981.

14. Блантер, В. Е. Экспериментальное исследование точности измерительного преобразователя угла на основе кольцевого лазера Текст. / Блантер В. Е., Филатов Ю.В. // Метрология. 1979. - № 1.

15. Ванюрихин, А. И. Автоматизированный гониометр на основе кольцевого лазера Текст. / Ванюрихин А.И., Зайцев И.И. // Оптико-механическая промышленность. — 1982. № 9.

16. Лукьянов, Д.П. Лазерные системы динамической аттестации угловых преобразователей различного типа Текст. / Бурнашев М.Н., Лукьянов Д.П., Павлов П.А., Филатов Ю.В. Л: Изв.ГЭТУ, 1997. - вып. 509. -С. 36-40.

17. Гончаров, Н.В. Развитие гониометрических методов и средств контроля углового положения объекта Текст. / Н.В. Гончаров, Ю.В. Филатов // Гироскопия и навигация. — 2002. №3(38). - С. 123-126.

18. Лазерные инерциальные системы Текст. / Лукьянов Д.П., Мочалов А.В., Филатов Ю.В.: учеб. пособие. СПб.: ГЭТУ. - 1995.

19. Основы лазерной техники Текст. / Бурнашев М.Н., Филатов Ю.В.: учеб. пособие. СПб.: изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2000.

20. Развитие методов и средств динамической лазерной гониометрии Текст. / М.Н. Бурнашев, Д.П. Лукьянов, П.А. Павлов, Ю.В. Филатов //Квантовая электроника. т.ЗО. - №2. - 2000. - С.141-146

21. Теория измерений Текст. / М.Ю. Агапов, М.Н. Бурнашев: методические указания к индивидуальным заданиям по одноименной дисциплине. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2005. - С. 23.

22. Лазерные гониометрические системы для калибровки преобразователей угла Текст. / М.Ю. Агапов, М.Н. Бурнашев, Д.П. Лукьянов, П.А. Павлов, Ю.В. Филатов. СПб.: Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2007.

23. Точность цифровых преобразователей угла с учетом времени наработки Текст. / В.Г. Домрачеев, В.М. Исаев, Б.С. Мейко // Измерительная техника. — 1988. — №31. — С.4-6.

24. Оценка точности цифрового преобразователя угла выборочным методом Текст. / В.Г. Домрачеев, Б.С. Мейко, А.Г. Сапегин // Измерительная техника. 1983. - №5. - С.21-23.

25. Dynamic angle measurement by means of a ring laser Текст. / Yu.V. Filatov, D.P. Loukianov, R. Probst // «Metrologia». 1997. - 34. - C.343-351.

26. Модель погрешности угловых измерений в динамическом лазерном гониометре Текст. / М.Н. Бурнашев, Ю.В. Филатов. // С.9-15

27. Метрологическое обеспечение углометрии в машиностроении

28. Текст. / Шестопалов Ю. Н. // Измерения, контроль, автоматизация. — №2(78) 1991.

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

30. Результаты калибровки МП с помощью лазерного гониометра ИУП-IJI Текст. /Ю.В. Филатов, П.А. Павлов. СПб.: Известия ЛЭТИ. Сборник научных трудов. - вып. 509. - 1997. - С. 41.

31. Тучин, В.В. Динамические процессы в газоразрядных лазерах Текст. / М.: Энергоатомиздат, 1990. — 248 с.

32. Concept of measurement system for estimation of varied angular parameters of test beds Текст. / Отчет о НИР по договору №000006 А XSD5024 от 06.06.97.

33. Проверка погрешности преобразования угла поворота вала блока датчика положения ротора ГЭД в динамическом режиме Текст. / Отчет о НИР по договору №6033 от 01.07.00.

34. Исследование точностных характеристик преобразователей угол-код с автокоррекцией погрешности Текст. / Отчет о НИР по договору №6319 от 12.02.01.

35. Исследование точностных характеристик 16-разрядных цифровых преобразователей угла Текст. / Отчет о НИР по договору №6414 от 10.04.04.

36. Прибор для контроля параметров преобразователей угла Текст. / Отчет о НИР по договору №6592 от 01.02.06.

37. Левин, Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники Текст. / — М.: Радио и связь, 1989. — 656 с.

38. Мардиа, К. Статистический анализ угловых наблюдений Текст. /-М.: Наука, 1978. 240 с.

39. Shuler, M. Five Place Table of Elliptical Function based on Jacobi's Parameter q Текст. / Shuler M., Gebelin H. — Berlin: Springer, 1955.

40. Иглин С.П. Обработка массива данных / Иглин С.П. // (http://users.kpi.kharkov.ua/apm/ContData/ContData.html).

41. Основы метрологии и организации метрологического контроля / Д.А.Иванников, Е.Н.Фомичев: учебное пособие. — Н.Новгород: Изд-во НГТУ. 2001. - С. 47.