Разработка и исследование средств контроля пространственной стабильности стендов для аттестации оптических угломеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Гончар, Борис Владимирович

• Гончар, Борис Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гончар, Борис Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА

ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО СТЕНДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

1.1. Общая характеристика оптических приборов для угловых измерений.

1.2. Анализ основных источников погрешностей высокоточных угломерных приборов.

1.3. Обзор существующих методов и средств метрологической аттестации высокоточных оптических угломерных приборов.

1.4. Принципы обеспечения стабильности универсального

9 измерительного стенда для метрологической аттестации ^ высокоточных угломерных приборов.^^

ГЛАВА

ОБОСНОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СТЕНДА, РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ТОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТЕНДА И АЛГОРИТМА АТТЕСТАЦИИ УГЛОМЕРНЫХ ПРИБОРОВ.

2.1. Описание геометро-оптической схемы универсального измерительного стенда.

2.2. Обоснование математической модели стенда.

2.2.1. Векторная модель призменного калибра.

2.2.2. Векторная модель универсального измерительного стенда.

2.2.3. Векторная модель системы «угломерный прибор-стенд».

2.3. Оценка точностных характеристик универсального измерительного стенда.

2.4. Алгоритм процесса метрологической аттестации.

2.5. Алгоритм обработки результатов измерений.

ГЛАВА

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УНИВЕРСАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СТЕНДА.

3.1. Описание методики контроля угломерного прибора при помощи универсального измерительного стенда.Ill

3.2. Требования к конструкции стенда и его составным частям.

3.3. Описание макета канала задания референтного направления.

ГЛАВА

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

МОДЕЛИ УНИВЕРСАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СТЕНДА.

4.1. Оценка адекватности математической модели стенда в процессе аттестации высокоточных угломерных приборов.

4.2. Исследования точности и стабильности макета канала задания референтного направления.

4.3. Анализ и обоснование результатов экспериментальных исследований.

4.4. Требования и рекомендации к построению и реализации универсального измерительного стенда.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование средств контроля пространственной стабильности стендов для аттестации оптических угломеров»

Развитие и совершенствование оптических и оптико-электронных угломерных приборов, возрастающие требования к их точности и надежности, а также автоматизация процесса измерений с их помощью, приводит к необходимости создания новых методов и средств контроля метрологических характеристик таких приборов. Наибольшие трудности возникают при создании оборудования для исследований высокоточных приборов, измеряющих полные углы, например, высокоточных теодолитов, тахеометров, астрономических универсалов, угломерных измерительных станций, угломерных систем слежения и др. Создание такого оборудования необходимо также для существенного повышения производительности и эффективности точностных исследований угломерных приборов (УП) за счет сокращения времени их проведения и оперативной обработки полученных данных.

Проведение аттестации высокоточных угломерных приборов регламентируется рядом специально разработанных стандартов и методик [1,2, 3, 4 и 5], позволяющих определять их основные метрологические характеристики (МХ), влияющие на точность угловых измерений. Однако следует учесть, что эта документация разработана в основном для исследований оптических теодолитов, поверочные схемы детально не разработаны и предполагается их завершение для конкретного прибора и условий аттестации.

В этой связи становится очевидной необходимость создания нестандартизированного универсального стендового оборудования для метрологических исследований УП соответствующего, современному уровню развития науки и техники. Универсальность разрабатываемого оборудования определяется возможностью его использования для аттестации различных типов высокоточных угломерных приборов (ВУП), вне зависимости от степени автоматизации измерений с их помощью, принципов и способов отсчитывания по рабочим мерам.

Очевидно, что дальнейшее повышение точности измерений с помощью ВУП предполагает и повышение требований к точности проведения аттестации этих приборов, что достигается за счет использования при аттестации ВУП высокоточных элементов и средств измерений (СИ), а также совершенствования методики аттестации.

Однако при достижении погрешности угловых измерений порядка десятых долей угловой секунды используемые СИ будут реагировать на малые угловые перемещения, вызываемые изменением пространственного положения элементов стенда из-за деформации конструкции, динамических воздействий (микровибраций, сотрясений и т.д.), турбулентностью воздуха на пути прохождения оптического луча, вызываемого температурным градиентом, деформацией конструкции и элементов стенда из-за перепада температур. Следовательно, дальнейшее повышение точности метрологической аттестации ВУП связано именно с решением проблемы обеспечения стабильности стендового оборудования, используемого для аттестации угломеров.

Требуемая стабильность может быть обеспечена комплексом мер, включающих в себя определенные принципы построения универсального измерительного стенда (УИС), конструктивные решения, обеспечение определенных условий внешней среды при проведении измерений, а также разработку соответствующих методик проведения аттестации.

Основными требованиями, предъявляемыми к УИС, с целью обеспечения его пространственной стабильности являются:

- уменьшение времени аттестации угломерного прибора с измерительного стенда. Проблема уменьшения времени аттестации ВУП может быть решена за счет определения максимального количества МХ аттестуемого ВУП при минимальном количестве самих измерений, что может быть осуществимо аналитическим определением необходимых МХ из уравнений их связи с суммарной погрешностью измерения угла [6];

- автоматизация процесса измерений, для решения этой задачи предлагается отказаться от визуальной ориентации зрительной трубы аттестуемого ВУП на опорные направления;

- оперативная обработка данных измерений с помощью микропроцессора или электронной вычислительной машины, включенных в комплект УИС.

Целью диссертационной работы является: разработка и исследование новых средств контроля пространственной стабильности стендов для аттестации оптических угломеров.

Указанная цель достигается путем решения ряда следующих задач: V

- выявление факторов нестабильности конструкции УИС, приводящих к нарушению его геометро-оптической схемы;

- разработка основных принципов обеспечения стабильности стенда для аттестации ВУП;

- разработка математической модели УИС, учитывающей влияние нестабильности на точность аттестации ВУП;

- разработка методов и средств учёта влияния нестабильности конструкции на точность аттестации ВУП;

- натурное моделирование и экспериментальные исследования канала задания референтного направления повышенной стабильности;

- представление рекомендаций по реализации УИС.

Работа включает в себя теоретическую и практическую части. Теоретическая часть работы содержит:

- анализ метрологических характеристик УП, используемых методов аттестации УП, их достоинств и недостатков;

- выбор и описание геометро-оптической схемы универсального стенда повышенной стабильности, обоснование методики проведения аттестации с учетом оценки нестабильности стенда, обоснование основных требований к точностной стабильности стенда;

- обоснование математической модели стенда, разработанной на основе предложенной геометро-оптической схемы;

- обоснование выбора структурной и функциональной схем стенда, описание принципа действия стенда;

- обоснование методов и средств контроля пространственной стабильности.

Практическая часть работы включает:

- апробация математической модели стенда;

- разработка и создание макета канала задания референтного направления (РН);

- исследования стабильности и точности канала задания РН;

- решение тестовых задач с целью апробации разрабатываемой математической модели и априорного учета влияния нестабильности УИС при аттестации УЛ.

На защиту выносятся:

Математическая модель универсального измерительного стенда, представляющая собой систему уравнений, описывающая функциональную зависимость между погрешностями измерения углов и систематическими погрешностями УП.

Способ автоматизации проведения аттестации УП.

Структурные и функциональные схемы УИС, алгоритмы и методики проведения аттестации УП.

Результаты экспериментального исследования макета канала задания РН.

Рекомендации по выбору геометро-оптической схемы УИС, методикам проведения аттестации, методам обеспечения стабильности конструкции УИС.

Основные результаты работы представлены на 2 международных и 4 национальных конференциях в период 1998.2004 г.г.

По материалам диссертационной работы опубликовано 5 научных работ, из них 4 статьи и 1 тезис к докладу.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Гончар, Борис Владимирович

Выводы по главе 4

Глава включает в себя результаты экспериментальных исследований математической модели УИС и модели канала задания РН.

Исследована и доказана правильность составления математической модели и программ обработки измерительной информации. Математическая модель и предложенная программа вычисления метрологических характеристик УП дают отклонения во втором-третьем знаке после запятой, что соответствует сотым-тысячным долям угловой секунды для малых величин и доли градуса для угловых элементов эксцентриситетов и наклона вертикальной оси.

При исследовании точности и стабильности макета канала задания референтного направления проведён ряд измерительных операций, входящих в процесс калибровки стенда и в процесс проведения аттестации ВУП. Были получены следующие результаты.

При совмещении осей осветительного и измерительного каналов задающего АК:

- СКП величины рассогласования =0,04"; максимальное значение величины рассогласования осей каналов АК составило 0,11".

При наведении АК на отражающую грань ПК:

СКП величины рассогласования =0,05"; максимальное значение величины рассогласования визирной оси каналов АК и нормали к зеркальной поверхности составило 0,12".

При исследовании совмещения визирной оси аттестуемого УП и нормали к полупрозрачному зеркалу зеркальной насадки:

- СКП величины рассогласования визирной оси УП и нормали к полупрозрачному зеркалу =0,03";

- максимальное значение величины рассогласования визирной оси УП и нормали к полупрозрачному зеркалу составило 0,04".

Исследование влияния поворота триппель-призмы вокруг оптической оси АК и измерение вызываемого рассогласования показало, что положение триппель-призмы влияет на величину рассогласования осей осветительного и измерительного каналов АК и при произвольном положении триппель-призмы носит случайный характер.

На основе точностного анализа УИС и результатов экспериментальных данных определены параметры точности и стабильности стенда. Оценена точность предложенного метода аттестации и влияние на точность аттестации нестабильности конструкции УИС. Результаты экспериментальных исследований и результаты решения тестовых задач показали, что влияние нестабильности конструкции УИС на результат аттестации ВУП с погрешностями измерения углов равными единиц угловой секунды незначительно. Однако при аттестации ВУП более высокой точности эти погрешности начинают оказывать влияние на погрешность аттестации.

В связи с этим, предложен усовершенствованный вариант геометро-оптической схемы стенда, позволяющий повысить точность аттестации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе разработаны и исследованы методы и средства контроля пространственной стабильности УИС для метрологической аттестации ВУП.

Цель диссертации достигнута — разработаны методы и средства контроля пространственной стабильности УИС для метрологической аттестации ВУП.

В процессе выполнения работы получены следующие результаты.

1. Проведен анализ различных способов поверок и аттестации УП. На основе этого анализа предложен ряд принципов обеспечения стабильности разрабатываемого стендового оборудования, таких как:

- использование автоколлиматорного способа аттестации, разработанного в МИИГАиК;

- уменьшение времени аттестации (за счет сокращения числа измерений и автоматизации процесса аттестации, компьютерной обработки измерительной информации);

- использование высокоточных элементов и устройств, задающих и фиксирующих в пространстве РН;

- обеспечение определенных условий внешней среды при проведении измерений;

- выбор оптимального межповерочного интервала;

- разработка соответствующей методики контроля пространственного положения РН.

2. Разработана математическая модель УИС, представляющая собой систему уравнений, описывающую функциональную зависимость между погрешностями измерения эталонных углов и систематическими погрешностями УП.

3. На основе разработанной математической модели произведена оценка точностных характеристик УИС. Разработана методика учета влияния параметров точности и стабильности элементов и конструкции УИС на точность аттестации.

4. Разработаны структурные схемы УИС при его калибровке и при аттестации УП. В соответствии ними разработаны алгоритмы калибровки УИС и аттестации УП, включающие в себя оценку параметров точности и стабильности УИС при проведении этих измерительных процедур.

5. Разработаны алгоритмы обработки результатов измерений для вышеуказанных измерительных процедур.

6. Обоснованы функциональные схемы при проведении этих измерительных процедур и на их основе предложены методики проведения калибровки УИС и аттестации ВУП.

7. Выработаны требования к конструкции стенда и его элементам, позволяющие обеспечить требуемую стабильность УИС.

8. Для проведения экспериментальных исследований в лаборатории метрологии кафедры ОКиМ МИИГАиК разработан и изготовлен макет канала задания РН. Проведено моделирование основных измерительных операций, входящих в процесс калибровки стенда и в процесс проведения аттестации ВУП. Получены экспериментальные данные точности и стабильности элементов УИС.

9. Исследована и доказана правильность составления математической модели путем решения тестовых задач.

10. На основе точностного анализа УИС и результатов экспериментальных исследований определены параметры точности и стабильности стенда. Оценена точность предложенного метода и влияние на точность аттестации нестабильности конструкции УИС.

11 .Предложен усовершенствованный вариант геометро-оптической схемы стенда для аттестации ВУП с погрешностью измерения угла менее 1".

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гончар, Борис Владимирович, 2005 год

1. Инструкция по проведению технологической поверки геодезических приборов. М.: ЦНИИГАиК, 1999.

2. ГОСТ 23543-79. Приборы геодезические. Основные технические требования.

3. Методика института. Теодолиты. Методы средства поверки. МИ БГЕИ 08-90.-М.: ЦНИИГАиК, 1991.

4. ГОСТ 20063-74. Теодолиты. Методы испытаний и поверки.

5. Методика института. Теодолиты. Методы средства поверки. МИ БГЕИ. — М.:, ЦНИИГАиК, 1999.

6. Парвулюсов Ю. Б. Стенд для метрологической аттестации высокоточных угломерных приборов/ Ю. Б. Парвулюсов, Б.В. Гончар// Изв. ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2000. №6. — С. 157-162.

7. Высокоточные угловые измерения/ под ред. Ю. Г. Якушенкова. М.: Машиностроение, 1987, 480 с.

8. Спиридонов А. И. Теодолиты/ А.И. Спиридонов.- М.: Недра, 1985. 238 с.

9. Елисеев С. В. Геодезические инструменты и приборы/ Елисеев С. В. М.: Недра, 1973.-325 с.

10. Справочник геодезиста.: в 2 т. /под ред. В.Д. Большакова и Г.П. Левчука.-3-е изд., перераб. и .доп.- М.: Недра, 1985.11 .Спиридонов А. И. Проверка геодезических приборов/ А.И. Спиридонов, Кулагин, Кузьмин. М.: Недра, 1981. - 159 с.

11. Кузнецов П.Н. Геодезическое инструментоведение: Учебник для ВУЗов/ П.Н. Кузнецов, И.Ю. Васютинский, Х.К. Ямбаев. М.: Недра. 1984. -364 с.

12. Спиридонов А. И. Способы создания пространственного угла при исследовании лимбов// Геодезия и картография. 1970 - №9. — С. 134—152.

13. Литвинов Б.А. Геодезическое инструментоведение/ Б.А. Литвинов, Лобачев, Воронков. М. Недра 1971. - 328 с.

14. Климов О. Д. Применение принципа авто коллимации при исследовании астрономических инструментов// Известия ВУЗов Геодезия и аэрофотосъемка. М., 1982. - № 4. - С. 82-89.

15. Зимин В.Н. Стенд для исследования угломерных инструментов// Геодезия и картография. М., 1983. - № 4. - С. 112-122.

16. Каяк Л. К. Поверка лимбов теодолитов и других угломерных приборов по образцовым многогранным призмам/ JI. К. Каяк, В. Т. Мартынов// Измерительная техника. М., 1968. - №3. — С. 64-73.

17. Мартынов В. Т. Аттестация высокоточных лимбов. Труды ВНИИ им. Менделеева, Вып. 199(259).- л. Энергия 1976

18. Патент Великобритании №1355975, Кл. COI 3/78, 1981.

19. Войцекян В. И. Лабораторное метрологическое оборудование для обеспечения разработки и испытаний высокоточных теодолитов/ В. И. Войцекян// Сборник научных трудов ЦНИИГАиК. М., ЦНИИГАиК ГУКГ СССР, 1989 -126 с.

20. Горынина Е. А. Автоматизированное рабочее место поверителя теодолитов/ Е. А. Горынина, О. П. Лобаторин, Г.В. Петрова // Научно-технический сборник по геодезии, аэрокосмическим съемкам и картографии. М., ЦНИИГАиК ГУКГ СССР, 1993 - 136 с.

21. Разработка методов расчета и проектирования оптических и оптико-электронных приборов: научн. техн. Отчет по теме 6.30.011/ МИИГАиК; №01.86.0063982.-М., 1990.-20с.

22. Анализ точности и надежности конструкций приборов и комплексов оптической технологии: научн. техн. отчет/ МИИГАиК; рук. Ю.Б. Парвулюсов; №779/ДС-х. М., 1994. - 38с.

23. Разработка экспериментального образца универсального измерительного комплекса для аттестации высокоточных оптико-электронных угломеров: научн. техн. отчет/ МИИГАиК; рук. Ю.Б. Парвулюсов; №886-х. — М., 1996. -20с.

24. Парвулюсов Ю. Б. Методика оценки и учета нестабильности конструкции метрологического угломерного стенда/ Ю. Б. Парвулюсов, Б.В. Гончар// Изв. ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2001, №10. - С. 122-131.

25. Парвулюсов Ю. Б. Векторная модель стенда для метрологической аттестации высокоточных угломерных приборов/ Ю. Б. Парвулюсов, Б.В. Гончар// Изв. ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2000. №6. - С. 151-157.

26. Коняхин И. А. Трехкоординатные оптические и оптико-электронные угломеры: справ/ И. А. Коняхин, Э. Д. Панков. М.: Недра, 1991.

27. Грейм И. А. Расчет систем плоских зеркал/ И. А. Грейм, П. В. Стендер. -Л.: СЗПИ, 1968.-110 с.

28. Ильин В.А. Аналитическая геометрия: учебн./ В.А. Ильин, Э.Г Позняк. М.: Наука 199.

29. Корн Г. Справочник по математике для научных сотрудников и инженеров: в 2 т. / пер. с англ./ Г. Корн, Т. Корн. М., Наука, 1984.

30. Брандт 3. Статистические методы анализа и наблюдений/ 3. Брандт. Мир. 1975.-354 с.

31. Кочетков Е.С. Метод наименьших квадратов/ Е.С. Кочетков. — М.: Из-во МАИ, 1993.-235 с.

32. Лоусон Ч. Численное решение задач методом МНК/ пер. с англ./ Ч. Лоусон, Р. Хенсон. М., Наука, 1986 - 326 с.

33. Парвулюсов Ю. Б. Векторная модель стенда для контроля метрологических характеристик теодолитов/ Ю. Б. Парвулюсов, Б.В. Гончар. — Сб. материалов Международного оптического конгресса «Оптика — XXI век». — Санкт-Петербург, 2000, том 1,с. 135-136.

34. ГОСТ 8.395-80. Нормальные условия при поверке. Общие требования.

35. Micro-Radian Instruments Inc. Электронный ресурс./ Dual-axis autocollimator Электрон, дан. — Режим доступа: http:/www.photonics.com.

36. Двухосевой автоколлиматор DA400.- Электрон, дан. Режим доступа: http:/www.taylor-hobson.ru.

37. ГОСТ 8.016-81. Государственный первичный эталон и его поверочная схема для измерения плоского угла.

38. ГОСТ 2875-88 Меры плоского угла призматические. Общие технические условия.

39. Яковлев Н.В. Высшая геодезия: Учебник для ВУЗов/ Н.В. Яковлев М.: Недра, 1988.-445 с.

40. ГОСТ 10529-96. Теодолиты. Общие технические условия.

41. Сергеев А. Г. Метрология: Учебное пособие для ВУЗов/ А. Г. Сергеев, В. В. Крохин. М.: Логос, 2000- 408 с.