Разработка методов исследования динамических гониометров для калибровки преобразователей угла тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат наук Иващенко, Елена Михайловна

• Иващенко, Елена Михайловна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Иващенко, Елена Михайловна

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ДИНАМИЧЕСКИЕ ГОНИОМЕТРЫ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА

1.1. Преобразователи угла

1.2. Средства контроля преобразователей угла

1.2.1. Традиционные средства контроля преобразователей угла

1.2.2. Динамические гониометры

1.3. Существующие методы исследования ДГ

1.3.1. Методы исследования ДГ на стадии выходного контроля

1.3.2. Метод калибровки ДГ

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИСКЛЮЧЕНИЯ СИСТЕМАТИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ КЛ

2.1. Разработка метода исключения систематической погрешности КЛ (реверсивный метод)

2.1.1. Математическое моделирование реверсивного метода

2.1.2. Экспериментальные исследования реверсивного метода

2.2. Применение реверсивного метода в лазерной гониометрии

2.2.1. Методика выставки НИ в положение минимальной систематической погрешности

2.2.2. Экспериментальные исследования методики выставки НИ в положение минимальной систематической погрешности

Выводы по главе 2

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ СЛУЧАЙНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ДГ

3.1. Исследование случайной погрешности основных элементов ДГ

3.2. Разработка метода исследования случайной погрешности ДГ на стадии выходного контроля (ДГСП-метод)

3.3. Исследование источников случайной погрешности

3.3.1. Исследование источников случайной погрешности ОДУ в составе ДГ

3.3.2. Исследование источников случайной погрешности ДГ

Выводы по главе 3

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ГОНИОМЕТРОВ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА

4.1. Состав исследуемых ДГ

4.2. Исследование ДГ на стадии выходного контроля

4.2.1. Результаты исследования ДГ1

4.2.2. Результаты исследования ДГ2

4.2.3. Результаты исследования ДГЗ

4.3. Калибровка ДГ

4.3.1. Результаты калибровки ДГ1

4.3.2. Результаты калибровки ДГ2

Выводы по главе 4

Заключение

Список литературы

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ДГСП-метод - метод исследования случайной погрешности динамического гониометра;

ГПЭ - государственный первичный эталон;

ИВК - измерительно-вычислительный комплекс;

КЛ - кольцевой лазер;

ЛДГ - лазерный динамический гониометр;

МП - многогранная призма;

НИ - нуль-индикатор;

ОДУ - оптический датчик угла;

ПУ - преобразователь угла;

СКО - среднее квадратическое отклонение;

СПМ - спектральная плотность мощности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов исследования динамических гониометров для калибровки преобразователей угла»

ВВЕДЕНИЕ

В связи с непрерывным ростом степени автоматизации различных областей человеческой деятельности увеличиваются объемы производства преобразователей угла (ПУ), растут требования к их точности и быстродействию. Характеристики ПУ во многом определяют функциональные и точностные возможности систем, в которых они применяются. ПУ используются везде, где необходимы автоматизация и контроль процессов перемещений: в спутниках, в системах ориентации солнечных батарей, робототехнике, автоматизированных комплексах, на атомных станциях, аппаратах аэрографической съемки, радиолокационных станциях, системах навигации, высокоточном оружии и пр. ПУ устанавливаются непосредственно на контролируемые объекты, поэтому они должны измерять углы в широком динамическом диапазоне. В настоящее время существуют ПУ с погрешностью порядка долей угловой секунды.

Задача контроля ПУ решается с помощью средств динамической гониометрии. Для аттестации современных высокоточных ПУ требуются динамические гониометры (ДГ) с точностью, достигающей сотых долей угловой секунды, позволяющие контролировать ПУ в широком диапазоне угловых скоростей. Задача повышения точности ДГ может быть решена как совершенствованием технических средств, так и методов измерений.

Целью работы является разработка методов исследования динамических гониометров, предназначенных для калибровки преобразователей угла.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1. Разработка метода исключения систематической погрешности КЛ в динамических гониометрах, сосредоточенной на первой гармонике частоты вращения;

2. Разработка метода исследования случайной погрешности ДГ с оптическим датчиком угла (ОДУ), исключающего применение дополнительных средств измерения;

3. Экспериментальная апробация предложенных методов;

4. Исследования ДГ для калибровки преобразователей угла с использованием разработанных методов.

Научная новизна. В процессе проведения исследований получены новые научные результаты:

• Метод исключения систематической погрешности кольцевого лазера в динамическом гониометре, сосредоточенной на первой гармонике частоты вращения, реализуемый при реверсивном вращении кольцевого лазера.

• ДГСП-метод, позволяющий определять случайную погрешность динамического гониометра и оптического датчика угла, входящего в его состав, без использования дополнительных средств измерения.

• Методика выставки нуль-индикатора в лазерном динамическом гониометре в положение минимальной систематической погрешности, основанная на реверсивном методе.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

1. Разработан и реализован на практике ДГСП-метод, позволяющий определять случайную погрешность динамического гониометра и

входящего в его состав оптического датчика угла, без использования дополнительных средств измерения на стадии выходного контроля.

2. Разработан и реализован на практике реверсивный метод, позволяющий устранять систематическую погрешность кольцевого лазера в динамическом гониометре, сосредоточенную на первой гармонике частоты вращения, без его разворотов.

3. Реализована на практике методика выставки нуль-индикатора в положение минимальной систематической погрешности.

4. Проведены исследования с использованием предложенных методов динамических гониометров различной точности, предназначенных для контроля цифровых преобразователей угла.

На защиту выносятся:

1. Реверсивный метод исключает систематическую погрешность кольцевого лазера, сосредоточенную на первой гармонике частоты его вращения.

2. Методика выставки интерференционного нуль-индикатора, основанная на реверсивном методе, минимизирует систематическую погрешность лазерного динамического гониометра.

3. Метод исследования случайной погрешности динамического гониометра с оптическим датчиком угла, имеющим две и более измерительные головки, (ДГСП-метод) позволяет определять характеристики случайного процесса в режиме самотестирования.

4. Нестационарность случайных процессов, характеризующих случайную погрешность динамических гониометров, построенных с использованием шариковых подшипников, устраняется при помощи фильтрации верхних частот, частота среза которой определяется частотой вращения шпинделя динамического гониометра.

Реализация и внедрение результатов работы.

Теоретические положения, методы и результаты исследований диссертации использованы:

- при выполнении научно-исследовательской работы 2012-2014 гг. № У-2012-2/2 по теме «Разработка лазерного динамического гониометра с улучшенными характеристиками» в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере;

при выполнении научно-исследовательской работы 2012-2013 гг. № 14.132.21.1427 по теме «Разработка методов рационального выбора альтернатив в лазерной гониометрии» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»;

- при выполнении научно-исследовательской работы 2011 -2013 гг. № 16.740.11.0721 по теме «Разработка методов повышения точности гониометрических систем» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»;

- в ОКР «Разработка оптоэлектронной измерительной системы военного эталона плоского угла ВЭ-35» для МО РФ, шифр «Аксоль-ВЭ-35/1»;

- в ОКР «Разработка и изготовление гониометрической установки для измерения функциональных параметров преобразователей» шифр «Привод-8-ГУ», выполняемой по договору №7078/ЛИНС-73 от 25 ноября 2011г.

Апробация.

I

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Международная конференция «Оптика лазеров» (2010), Санкт-Петербург, Россия.

Международная конференция «Лазеры. Измерения. Информация» (2011, 2012), Санкт-Петербург, Россия.

- Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых «Навигация и управление движением» (2010-2012), Санкт-Петербург, Россия.

- Всероссийская научно-техническая конференция «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях» «СУДОМЕТРИКА-2012».

- Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ) (2010-2012), Санкт-Петербург, Россия.

Публикации.

Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 8 публикациях, среди которых 3 научных статьи в ведущем рецензируемом издании, рекомендованном в действующем перечне ВАК, 5 - в научных сборниках и трудах российских и международных конференций.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами и заключения. Она изложена на 123 страницах машинописного текста; включает 50 рисунков, 9 таблиц и содержит список литературы из 66 наименований.

ГЛАВА 1 ДИНАМИЧЕСКИЕ ГОНИОМЕТРЫ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА

1.1. Преобразователи угла

Преобразователи угла (ПУ) - устройства, предназначенные для преобразования угла поворота в электрические сигналы [1]. ПУ позволяют решать задачу измерения углового положения объекта в широком диапазоне скоростей вращения. Они используются в системах навигации, высокоточном оружии, информационно-управляющих системах, буровых установках, машиностроении, системах управления подвижными объектами. ПУ устанавливаются на приводы прокатных станов, координатных столов, электрических задвижек, кранов, упаковочных агрегатов, лифтов, устройств выбора якоря на судах и т.д. и т.п.

Характеристики ПУ во многом определяют функциональные и точностные возможности систем, в которых они применяются [1]. Поэтому к точности и диапазону угловых скоростей, в которых функционирует ПУ, предъявляются высокие требования. Эти требования определяют необходимость использования современных систем их метрологического контроля.

Классификация ПУ

Существует много разновидностей ПУ, их разнообразие объясняется не только широким спектром решаемых ими функциональных задач, но и возможностью использования различных структурных, физических и других принципов их построения. Классификация ПУ, выработанная на основе [2], представлена в таблице 1.

Таблица 1 Классификация ПУ

Признак Вид ПУ

По типу выходного сигнала Аналоговые

Цифровые

По количеству отсчетов Одноотстчетные

Многоотсчетные

По физическому принципу Механические

Магнитные

Оптические

По типу конструкции Со встроенным подшипником и муфтой

Со встроенным подшипником без муфты

Без подшипников

Механические ПУ содержат диск из диэлектрика с выпуклыми или нанесенными проводящими участками. Считывание угла поворота диска производится линейкой переключателей или контактов. Одним из факторов, ограничивающих точность механических ПУ, является дребезг контактов, приводящий к неправильному подсчету или определению направления вращения.

Рынок ПУ постоянно увеличивается, причем достигнутый прирост на 81% обеспечивается в основном за счет магнитных и оптических ПУ [3].

Магнитный ПУ включает в себя вал с магнитом и датчик Холла, который регистрирует прохождение магнитных полюсов. Магнитные ПУ обладают небольшими габаритами, что делает их подходящими для применения на осях вращения, на вспомогательных осях, коробках передач и т.п.

Оптические ПУ имеют жестко закрепленный на валу стеклянный диск с оптическим растром. При вращении вала растр перемещается относительно неподвижного растра, вследствие чего модулируется световой поток, принимаемый фотоприемником. Основным плюсом оптических ПУ является практически стопроцентная устойчивость к любым электромагнитным полям.

Однако веским аргументом против их применения является их чувствительность к загрязнениям и повышенной температуре, а также более высокая цена, по сравнению с магнитными ПУ [4].

Как магнитные ПУ, так и оптические, подразделяются на инкрементные (относительные) и абсолютные. Инкрементные ПУ при вращении формируют импульсы, по которым принимающее устройство определяет текущее положение координаты путем подсчета числа импульсов счетчиком. Абсолютные ПУ каждому значению углового положения вала (преобразуемого угла) ставят в соответствие значение числового эквивалента, который формируется на выходе датчика, как правило, в виде сигнала цифрового кода. Отличительной чертой абсолютных ПУ является наличие функции сохранения текущего значения углового перемещения даже при выключенном питании [5].

Наряду с отмеченными классификационными признаками, в определенных условиях применения существенное значение могут приобрести другие особенности ПУ. Например, потребляемая мощность является серьезным критерием при выборе бортовых ПУ. При определении конкретного принципа построения ПУ большое значение имеет сложность их изготовления в условиях серийного производства, а также стоимость их разработки и изготовления. Во многих случаях, особенно при массовом производстве ПУ, эти критерии относятся к числу основных.

Тенденции развития рынка ПУ

Маркетинговые исследования североамериканского рынка ПУ, проведенные компанией Venture Development Corp. [3], показывают текущий объем сегмента ПУ $514,3 млн. с ежегодным приростом 4,7%. По результатам исследований, для оптических ПУ наибольший прирост ожидается в сегменте военного и аэрокосмического оборудования, а для магнитных ПУ - в автомобильных применениях.

По прогнозам ведущих экспертов мира, дальнейшее развитие рынка промышленных ПУ приведет к более активному освоению новых технологий, таких как интеллектуальные системы, беспроводная связь, микромеханические

компоненты, технология Plug and Play, а также различные методы повышения точности [5].

Требования к преобразователям угла

По ГОСТ 26242-90 [6] существует 12 классов точности ПУ. В таблицу 2 сведены пределы допускаемого значения погрешности угловых перемещений в соответствии с классом точности ПУ.

Таблица 2 Классы точности ПУ

Класс точности Предел допускаемого значения погрешности угловых перемещений

001 0,25"

01 0,5"

1 1"

2 2"

3 5"

4 15"

5 30"

6 60"

7 150"

8 300"

9 600"

10 Не нормируется

Исследуемые в работе ДГ предназначены для калибровки ПУ 001 и 01 классов точности.

Основными характеристиками ПУ являются точность преобразования, быстродействие, надёжность работы в широком диапазоне эксплуатационных условий.

1.2. Средства контроля преобразователей угла

Контроль ПУ может осуществляться как при помощи различных угломерных приборов и устройств, так и на основе сравнения измерительной шкалы контролируемого ПУ со шкалой образцового преобразователя.

Принцип контроля ПУ при помощи образцового преобразователя заключается в съеме данных при одновременном вращении образцового и поверяемого ПУ вокруг одной и той же оси. Съем данных может осуществляться как в статике, когда угловые шкалы неподвижны, и в динамике - когда угловые шкалы ПУ непрерывно вращаются.

1.2.1. Традиционные средства контроля преобразователей угла

Рассмотрим некоторые традиционно используемые средства контроля ПУ. Оптические делительные головки и автоколлиматор с многогранной призмой осуществляют контроль ПУ в статическом режиме, а прецизионный привод - в динамическом.

Оптические делительные головки

Оптическая делительная головка представляет собой измерительный прибор с отчетным устройством проекционного типа [2].

Согласно ГОСТ 9016-77 [7] оптические делительные головки выпускаются различных типов: ОДГ-2, ОДГ-5, ОДГ-5Э, ОДГ-Ю, ОДГ-бО.

Конструктивно делительные головки различаются оформлением оптической системы, позволяющей вести отсчет величины углов с точностью соответственно: ОДГ-2 - 2", ОДГ-5 - 5" и т.п., позволяющие контролировать ПУ не выше 4-го класса точности.

Недостатком контроля ПУ при помощи делительных головок является малое разрешение, большая погрешность, отсутствие автоматизации процесса контроля.

Многогранная призма с автоколлиматором

В [8] предложен метод контроля ПУ выборочным методом с использованием многогранной призмы (МП) и автоколлиматора. Определение погрешности ПУ осуществляется следующим образом. Вал ПУ разворачивают до появления изображения марки автоколлиматора от первой грани МП. В моменты смены значений кода регистрируют их координаты, соответствующие показаниям шкалы автоколлиматора. Показания автоколлиматора отвечают действительным координатам момента смены значений контролируемых квантов. Объем массива регистрируемых координат определяется полем зрения автоколлиматора с помощью второй грани призмы. Затем ПУ поворачивают на угол 360°/р, где р - количество граней МП и процедура повторяется. Таким образом, контролируются р участков шкалы, соответствующее количеству граней МП. Количество контролируемых участков увеличивают путем перестыковки вала ПУ и МП.

Погрешность калибровки ПУ включает в себя погрешности автоколлиматора и МП. Разрешение современного высокоточного цифрового автоколлиматора достигает 0,001", а погрешность - ±0,03" [9, 10].

МП с автоколлиматором позволяет контролировать ПУ с высокой точностью, однако недостатком такого контроля является сложность и трудоемкость процедуры контроля, а также возможность работы только в статическом режиме.

Прецизионный привод

Способ определения погрешности ПУ при помощи прецизионного привода описан в [11]. Привод обеспечивает прохождение валом поверяемого ПУ строго определенных угловых положений (базовых углов) в моменты времени, соответствующие появлению управляющих приводом маркеров эталонного времени. В этом случае угловое положение определяется через интеграл угловой скорости.

Недостатками контроля ПУ с помощью прецизионного привода является высокая погрешность задания базовых углов, а также тот факт, что погрешность

задания скорости напрямую входит в погрешность определения углового положения.

Использование прецизионного привода позволяет определять метрологические характеристики ПУ в динамическом режиме. Недостатком такого контроля является недостаточная точность.

1.2.2. Динамические гониометры

ДГ измеряют угловое положение твердого тела, вращающегося с квазипостоянной угловой скоростью. Особый интерес представляют ДГ, круговая шкала которых реализуется кольцевым лазером. Такие ДГ называются лазерными динамическими гониометрами (ЛДГ). Их потенциальная точность определяется квантовыми флуктуациями выходного сигнала КЛ и составляет порядка тысячных долей угловой секунды [12]. Также высокой точности можно достичь при использовании в ДГ качестве образцового преобразователя угла ОДУ. В связи с этим, остановимся на ЛДГ и ДГ с ОДУ более подробно.

1.2.2.1.Лазерные динамические гониометры

Несовершенство устройств, образующих круговую шкалу, в 60-х гг. прошлого века требовало поиска технических решений, основанных на новых физических принципах. Впервые предложение использовать КЛ в гониометре было сделано во французском патенте [13] в 1968 году. Первый ЛДГ с погрешностью измерений порядка 0,5" был разработан во Всесоюзном НИИ метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ) в конце 70-х гг. [14], а первый коммерческий лазерный гониометр ГС-1Л был выпущен Киевским заводом «Арсенал» в начале 80-х гг. после совместных работ с кафедрой лазерных измерительных и навигационных систем ЛЭТИ [15]. Эта система используется и в настоящее время в качестве эталона угла в метрологическом институте Словакии (Братислава) [16]. Дальнейшие исследования проводились и проводятся в СПбГЭТУ (ЛЭТИ) [10, 12, 17, 18].

Принцип работы ЛДГ описан в [12]. Метод образования угловой шкалы в лазерной гониометрии основан на принципе работы КЛ, заключающемся в расщеплении частот двух электромагнитных волн, распространяющихся внутри резонатора КЛ в противоположных направлениях, в результате углового движения плоскости резонатора. При измерениях КЛ устанавливается на поворотную платформу, которая вращается с квазипостоянной скоростью. Фиксация определенных угловых положений платформы производится в динамике посредством формирования импульсов преобразователем угла. Затем производится интегрирование выходного сигнала КЛ в интервалах между импульсами ПУ.

Основными источниками инструментальной погрешности ЛДГ являются флуктуации параметров КЛ, влияющие на его функцию преобразования, внешние возмущающие факторы, шум квантования выходного сигнала КЛ [17, 19]. К внешним возмущающим факторам относятся: угловой тренд основания, угловые вибрации основания, магнитное поле. Методическая погрешность ЛДГ включает в себя погрешности моделей выходного сигнала и КЛ, а также несовершенство алгоритмов вычисления угла [20].

Использование КЛ в качестве образцовой угловой шкалы позволяет строить высокоточные ЛДГ, однако их недостатком является ограниченный динамический диапазон работы К Л (60% - 360%), в котором обеспечиваются его точностные характеристики [21].

1.2.2.2.Динамические гониометры с оптическим датчиком угла

Использование ОДУ в качестве образцового преобразователя угла дает возможность строить ДГ, позволяющие калибровать преобразователи угла в широком диапазоне скоростей вращения.

Наибольшей точностью обладают инкрементные ОДУ, считывание со шкалы которых осуществляется по дифракционному принципу фотоэлектронного сканирования [1]. Такие ОДУ в основном используются в ДГ и состоят из:

- измерительной решётки, располагающейся на роторе ДГ;

- одной или нескольких считывающих головок с индикаторными решётками и головки нулевой метки, расположенных на статоре ДГ.

При перемещении измерительной решетки относительно индикаторной модулируется световой поток, который в дальнейшем преобразуется в электрические синусоидальные сигналы. Число периодов сигналов пропорционально измеряемому перемещению.

В таблице 3 приведены основные характеристики ОДУ ведущих производителей, полученные из материалов [22], [23], [24].

Таблица 3

Основные характеристики ОДУ ведущих производителей

Производитель Heidenhein ПИЯФ Canon Renishaw

Тип датчика ROD-880 RON-905 ERP-880 А-205 Х-1М RESR

Систематическая 1 0,2 1 0,2 0,4 ±0,5

погрешность, ..."

Частота среза, кГц 180 40 800 675

Количество периодов выходного сигнала на оборот 36000 36000 180000 324000 225000 409664800

В работах [20], [19], [25], [26] рассмотрены источники погрешностей ОДУ. Систематическая погрешность ОДУ определяется эксцентриситетом установки измерительной решетки, радиальным сдвигом, параллаксом и качеством нанесения штрихов шкалы. Основными источниками случайной погрешности являются шум фотоприемников и излучателей, шумы электрических схем.

При применении высокоточных ОДУ, в которых содержатся угловые шкалы с неравномерностью на уровне долей угловой секунды, использовании интерполяторов сигнала и методов компенсации систематической погрешности, создаются ДГ с погрешностью на уровне сотых долей угловой секунды [27, 28].

На основе ОДУ построены эталоны единицы угла Германии и Японии.

Эталон единицы угла Германии имеет разрешающую способность 0,0012" и суммарную неопределенность 0,005" в диапазоне угловых скоростей от 7,5 "/мин до 7,5 об/мин (при помещении системы в специально оборудованную лабораторию, где обеспечивается строгий контроль и стабильность параметров окружающей среды) [29].

Суммарная неопределенность эталона угла Японии [30, 31] составляет ±0,02", диапазон скоростей вращения от 0.1 об/мин до 10 об/мин. Эта система предназначена для калибровки ПУ, имеющих высокое разрешение и точность.

На кафедре лазерных измерительных и навигационных систем СПбГЭТУ (ЛЭТИ) с 1995 года ведутся работы по созданию ДГ на основе ОДУ, предназначенных для калибровки цифровых ПУ [18, 21, 32-34].

Рассмотрим блок-схему ДГ для контроля ПУ, представленную на рисунке 1.

На шпинделе ДГ (2) закреплены контролируемый ПУ (1) и образцовый ОДУ (3). Шпиндель приводится во вращение приводом, состоящим из двигателя (4) и системы управления двигателем (6). В процессе измерений с головок ОДУ снимаются сигналы в пределах интервалов времени, сформированных ПУ. Сигналы ОДУ поступают в блок электроники (5), осуществляющий предварительную обработку данных и передачу их в персональный компьютер

(7).

1

*»

\ (

6

2

Рисунок 1 - Блок-схема ДГ для контроля ПУ: 1 - контролируемый преобразователь угла; - шпиндель; 3 - образцовый оптический датчик угла; 4 - двигатель; 5 - блок электроники; 6 - система управления двигателем; 7 - персональный компьютер

Точность ДГ во многом ограничивается погрешностями образцового ОДУ, входящего в его состав, качеством подшипников и привода. Исследования ДГ, построенных с различными типами подшипников, будут рассмотрены в главах 3 и 4.

1.2.2.3.Динамические гониометры, использующие комплексирование оптического датчика угла и кольцевого лазера

В ряде случаев ДГ строят по принципу комплексирования двух преобразователей угла - КЛ и ОДУ, для возможности постоянного контроля метрологических характеристик обоих преобразователей.

Такие ДГ обеспечивают, помимо возможности определения метрологических характеристик обоих преобразователей, высокие точностные характеристики и работают в широком динамическом диапазоне [17].

Их недостатком является высокая стоимость и массогабаритные характеристики. По принципу комплексирования К Л и ОДУ построены государственный первичный эталон единиц линейного ускорения и плоского угла при угловом перемещении твердого тела (ГЭТ 94-01) и измерительно-вычислительный комплекс «УППУ-1» [ 18]. ^

Государственный первичный эталон единиц линейного ускорения и плоского угла при угловом перемещении твердого тела (ГЭТ 94-01) обеспечивает воспроизведение единицы плоского угла и передачу её размера со среднеквадратическим отклонением результата измерений 0,04" при 30 независимых измерениях. Значение неисключенной систематической погрешности составляет 0,05" [35].

Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) «УППУ-1» [18], предназначенный для контроля цифровых ПУ, зарегистрирован в Государственном реестре под № 32850-06 и допущен к применению в Российской Федерации как средство измерения военного назначения. При помощи ИВК производится контроль цифровых ПУ в широком диапазоне угловых скоростей (30-720)% с возможностью задания закона изменения

скорости вращения. Погрешность измерений ИВК составляет не более 0,05". По своим характеристикам ИВК относится к эталонам 1 -го разряда.

1.3. Существующие методы исследования ДГ

ДГ проходят стадии выходного контроля и калибровки. На стадии выходного контроля определяется систематическая погрешность для введения поправок. Помимо этого оценивается случайная погрешность. Калибровка ДГ осуществляется согласно ГОСТ 8.266-77 [36].

1.3.1. Методы исследования ДГ на стадии выходного контроля

Методы определения систематической погрешности

Как отмечалось ранее, одной из слабых сторон ОДУ является достаточно большая величина систематической погрешности. Однако этот недостаток может быть устранен введением поправок. В настоящее время систематическая погрешность ОДУ определяется на стадии выходного контроля при помощи методов авто- и кросс- калибровки [37, 38], которые основаны на существовании естественного эталона угла 2к радиан. Сумма действительных значений смежных центральных углов составляет 360° и сумма погрешностей, измеренных на полном круге, должна равняться нулю. При осуществлении автокалибровки происходит сличение измеренных угловых интервалов внутри одной круговой шкалы. При кросс-калибровке происходит поэтапная калибровка шкалы одного преобразователя угла относительно другого. После каждого этапа калибровки производится разворот одного из преобразователей относительно другого на угол 360%?, где п - число этапов кросс-калибровки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Иващенко, Елена Михайловна, 2013 год

Список литературы

1. JI. Н. Преснухин и др. Фотоэлектрические преобразователи информации / М: Машиностроение. - 1974.

2. В. Г. Домрачев, Б. С. Мейко Цифровые преобразователи угла. Принципы построения, теория точности, методы контроля [Текст] / В. Г. Домрачев, Б. С. Мейко - Москва: Энергоатомиздат, 1984. - 328 с.

3. Taylor J. Market prospects for position sensors/ Taylor J. // Venture Development Corp. - 2008.

4. Новые перспективы бесконтактных угловых измерений в диапазоне угла 360, снова датчики Холла - угловые магнитные энкодеры / С. Сысоева // Компоненты и технологии. - 2005.

5. Энкодеры Sendix - надёжная сверхкомпактность / В. Щербаков// Автоматизация в промышленностию. - 2011. - №11. - с. 37^0.

6. ГОСТ 26242-90 Преобразователи перемещений. Общие технические условия / М: Издательство стандартов. - 1990.

7. ГОСТ 9016-77 Оптические делительные головки/ М: Издательство стандартов. - 1977.

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

9. Сайт фирмы Moeller-Wedel: http ://www. moel 1er-wedel.com/products.html.

10. Баринова E. А. Разработка и исследование методов повышения точности гониометрических систем: автореф. .. канд-та техн. наук / Баринова Е. А.; СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009.

11. Способ определения погрешности преобразователя угол-код / В. Г. Домрачев, Б. С. Мейко// А. С. 325626 (СССР) опубл. в Б. И., 1972. - №3.

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

13. Catherin J. M., Dessus В. French Patent 1511089 (granted 26.01.68).

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

15. Д. П. Лукьянов, В. Е. Привалов Применение кольцевых лазеров в измерительной технике / Д. П. Лукьянов, В. Е. Привалов Ленинград: Ленинградская ассоциация общ. «Знание» РСФСР. - 1977.

16. Mokros К. X. Kruhovy laser a mereni uhlu / Mokros К. X. // Jemna Mechanica a Optica. - 1993. - №9 (203). - p. 203-205

17. Павлов П. А. Разработка и исследование высокоточных лазерных гониометрических систем: автореф. .. д-ра техн. наук / Павлов П. А.; СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009.

18. M. Н. Бурнашев, Е. П. Кривцов, П. А. Павлов, Ю. В. Филатов Метрологическое обеспечение цифровых преобразователей угла на основе лазерной динамической гониометрии / M. Н. Бурнашев, Е. П. Кривцов, П. А. Павлов, Ю. В. Филатов // Материалы Международной научно-технической конференции «Наука, образование и общество в 21 веке». - 2006. - с. 160 - 166.

19. Renishaw «К вопросу о точности угловых энкодеров» (http://www.renishaw.ru/ru/optical-angle-encoders—6434)

20. Павлов П. А. Анализ алгоритмов измерений лазерным динамическим гониометром / Павлов П. А. // Измерительная техника. -2008.-№1.-с. 17-20.

21. М. Ю. Агапов, Е. Д. Бохман, М.Н. Бурнашев и др. Разработка и исследование динамических гониометров на основе оптических датчиков

угла для контроля цифровых преобразователей «угол-код»/ Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», серия Приборостроение и Информационные Технологии, 2004. - №1. - с. 29-39.

22. Сайт фирмы Heidenhain (http://www.heidenhain.de/).

23. Сайт фирмы Renishaw (http://www.renishaw.ru/ru/1030.aspx)

24. Сайт фирмы Canon: http://www.usa.canon.com/cusa/ semiconductor/products/encoder_optolectronic_components/laser_rotary_encoder/ x_lm.

25. Metrological errors in optical encoders / Luis Miguel Sanchez-Brea // Meas. Sci. Technol. - 2008. - №19.

26. Особенности функционирования датчиков перемещения следящих систем в условиях реального качества электроэнергии в цепях питания / В. Г. Домрачев // Измерительная техника. - 2007. - №10. - с. 21-25.

27. Ring Laser Systems for Dynamic Calibration of Angular Optical Encoders/ Y. Filatov, M. Bournashev, D. Loukianov, P. Pavlov// Symposium Gyro Technology, Stuttgart, Germany. - 2003.

28. Новый эталон России в области измерения низкочастотных параметров движения / А.Е. Синельников, В.Н. Кудрявцев, П.А. Павлов// Гироскопия и навигация. - 2003. - №1. - том 40. - с.63-75.

29. The new РТВ angle comparator / R. Probst, R. Wittekopf, M. Krause et al. // Measurement Science and Technology. - 1998. - №9. - p. 10591066.

30. Masuda, T. High accuracy calibration system for angular encoders / T. Masuda, M. Kajitani // J. of robotics and mechatronics. - 1993. -Vol. 5, No 5. - P. 448-452.

31. Automatic high precision calibration system for angle encoder /

T. Watanabe et al. // Proceeding of SPIE. - 2001. - Vol. 4401. - Pt. 1. - P. 267274; 2003. - Vol. 5190. - Pt. 2. - P. 400-409.

32. Гончаров H. В. Разработка и исследование динамических гониометров на основе фотоэлектрического преобразователя угла автореф. ..

канд-та техн. наук / Гончаров Н. В.; СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005.

33. М. Н. Бурнашев, Д. П. Лукьянов, П. А. Павлов, Ю. В. Филатов Лазерные системы динамической аттестации угловых преобразователей различного типа/ Изв. ТЭТУ. - 1997. - вып. 509. - с. 36-40.

34. Агапов М. Ю. Разработка и исследование гониометрических систем контроля преобразователей угла, автореф. .. канд-та техн. наук / Агапов М. Ю..; СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009.

35. ГОСТ Р 8.596-2002 Государственная система обеспечения единства измерений. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения/ М: Издательство стандартов. - 2002.

36. ГОСТ 8.266-77 Гониометры. Методы и средства поверки // Москва: Издательство стандартов. - 1977.

37. Calibration of a poligon mirror by the rotary encoder calibration system / T. Watanabe et al. // 17 IMEKO World Congress Metrology in the 3rd Millenium June 22-27, 2003, Dubrovnik, Crotia. - 2003.

38. Self-calibration for air-bearing rotary encoders / Xiaodung Lu // 21st Annual Meeting of the American Society for Precision Engineering, Monterey, CA, October. - 2007.

39. Ernst European patent 0440833 B1 // Patentee Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, Traunreut. - 1994.

40. Лазерные гироскопы с призмами полного внутреннего отражения / Ю. В. Бакин и др. // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана сер. «Приборостроение». - 2007. - №1. - с. 97 - 104.

41. Исследование погрешности воспроизведения единицы плоского угла кольцевым лазером / Ю. В. Филатов, Е. П. Кривцов // Измерительная техника. - 1989. - №12. - с. 11-12.

42. Экспериментальное исследование интерференционного нуль-индикатора углового положения объекта / Е. П. Кривцов, П. А. Павлов, Ю. В. Филатов, А. М. Юдин // Измерительная техника. - 1986. - №4. - с. 11.

43. Анализ работы интерференционного углового нуль-индикатора / Ю. В. Филатов // Оптико-механическая промышленность. -1989.-№4.-с. 13-16.

44. Иващенко Е. М. Павлов П. А. Метод устранения влияния магнитного поля в лазерном гониометре/Измерительная техника - 2012. -№10.-с. 18-22.

45. Справочник студента по математике / Феликс J1. и др. // Москва: Высшая школа. - 2011.

46. Бусленко Н. П., Шрейдер Ю. А. Метод статистических испытаний (Монте-Карло) и его реализация на цифровых вычислительных машинах / Бусленко Н. П., Шрейдер Ю. А. // Москва: Физматгиз. - 1961.

47. Modern Techniques in Metrology/ Sim P. J// Singapore: World Scientific. - 1984. - c. 102-201.

48. О способе уменьшения систематической погрешности определения направления интерференционным нуль-индикатором / П. А. Павлов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Серия «Приборостроение и информационно-измерительные системы». - 2006. - с. 34-37.

49. Гордеев С. В., Баринова Е. А., Иващенко Е. А., Павлов П. А. Метод и результаты исследования случайной погрешности оптического датчика угла/ Метрология. - 2011. - №7. - с. 17-25.

50. Прикладной анализ случайных данных / Дж. Бендат, А. Пирсол // Москва: Мир. - 1989.

51. Сравнительный анализ мощности критериев проверки случайности и отсутствия тренда / Лемешко Б. Ю., Комиссарова А. С.// Метрология. - 2010 - №12.

52. Исследование распределения статистик критериев тренда и случайности / А. С. Беркович, Б. Ю. Лемешко, А. Е. Щеглов // Материалы X международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». - 2010. - С. 13-17.

53. Свойства и мощность некоторых критериев случайности и отсутсвия тренда / Лемешко Б. Ю., Комиссарова А. С., Щеглов А. Е. // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. - 2012. - № 1. - С. 53-66.

54. О задаче идентификации закона распределения случайной составляющей погрешности измерений /Лемешко Б. Ю. // Метрология. -2004,-№7. -с. 8-17.

55. Практикум по вероятностным методам в измерительной технике /Алексеев В. В. И др.// СПб: Энергоатомиздат, Санкт-Петербургское отделение. - 1993.

56. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения / Москва: Мир. - 1971.

57. Statistics of Time and Frequency/ David. W. Allan, John H. Shoaf and Donald Halford// NBS MMonograph 140. - 1974. - c. 151-204.

58. Вариация Аллана как оценка погрешности измерения / Сирая Т. Н. //Гироскопия и навигация. - 2010. - №2 (69). - с. 26-36.

59. IEEE P647/D1 Standart specification format guide and test procedure for single-axis laser gyros.

60. Справочник конструктора-машиностроителя / Анурьев В. И. // Москва: Машиностроение. - 2001.

61. Биргер И. А. Техническая диагностика / Биргер И. А.// Москва: Машиностроение. - 1978.

62. Обнаружение дефектов подшипников качения / Перевод материалов фирмы IRD.

63. Анализ точности вращения высокоскоростных шпинделей с газостатическими / А. В. Космынин, С. П. Чернобай // СТИН. - 2006. - №6. -с. 10-13.

64. Динамическая модель шпинделя на аэростатических опорах /

А. А. Махов, Г.Г. Позняк// Вестник РУДН сер. Инженерные исследования. -2004.-№1(8).-с. 76-82.

65. Кобзарь А. И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников / Москва: ФИЗМАЛИТ. - 2006. - с. 816.

66. ГОСТ 8.207-76 Прямые измерения с многократными наблюдениями / Москва: Издательство стандартов. - 1976.

/