автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка методики анализа и юстировки зеркально-призменных координатных преобразователей

Введение

Г л а в а I. Назначение зеркально-призменных координатных преобразователей и методы их точностного анализа

1.1. Назначение зеркально-призменных координатных преобразователей

1.2. Краткие сведения и оценка методов точностного анализа функциональных устройств приборов

Выводы по главе I

Г л а в а II. Теоретические основы методики математического описания функционирования'зеркально-призменных координатных преобразователей

II.I. Исследование возможности применения аппарата кватернионов и бикватернионов для полного математического описания функционирования ЗПКП

11.2. Некоторые особенности в правилах перемножения бикватернионов при действии над радиусами-векторами

Оптическое приборостроение последние 2-3 десятилетия развивается ускоренными темпами, растет потребность в оптических приборах, которые все шире используются в различных областях народного хозяйства. Совершенствование оптических приборов происходит в направлении повышения точности, чувствительности, увеличения пределов измерения и быстродействия, автоматизации их работы и т.д. Это в свою очередь ведет к усложнению принципиальных схем приборов, их конструкций, сборки и юстировки.

Удельная трудоемкость сборочно-юстировочных операций нередко превышает половину общей трудоемкости изготовления прибора. Необходимость введения юстировочных операций обусловлена экономической нецелесообразностью, а зачастую и невозможностью изготовления и сборки деталей и узлов прибора с допусками, обеспечивающими требуемые технологическими условиями показатели качества.

Юстировка - завершающий этап сборки оптических приборов, но подготовка к нему должна начинаться на стадии проектирования при анализе схемы будущего^ прибора. Юстировка будет эффективной, обеспечит повышение производительности и качества изготовляемого прибора только тогда, когда она хорошо продумана и научно обоснована. Цель юстировки - уменьшение влияния погрешностей на показатели качества, одним из которых является точность.

В литературе /12,31,83/ отображена проблема повышения точности приборов, эффективности регулировок, вскрыты резервы сборочной фазы производства, однако нет рекомендаций и методики, позволяющих решать подобные задачи.

Наиболее сложны вопросы юстировки в устройствах с подвижными .элементами. Анализу функциональных устройств, содержащих подвижные зеркально-призменные системы (ЗПС), в основном, и уделено внимание в данной работе.

ЗПС образуют одну из важнейших частей элементной базы оптического прибора, в котором они выполняют многочисленные функции. Благодаря их применению желаемый эффект во многих случаях может быть достигнут наиболее простым и экономичным способом. В то же время успешной реализации решаемой оптическим прибором задачи с помощью ЗПС должно предшествовать всестороннее исследование этих систем, в первую очередь на работоспособность при наличии погрешностей. Проведение такого исследования влияния погрешностей на выходные параметры устройства необходимо не только для разработки рациональной методики юстировки, но и для оценки сборочно-юстировочной технологичности при выборе одной из нескольких возможных принципиальных схем разрабатываемого прибора или устройства.

В настоящее время технологичность изделия определяется методом экспертных оценок на основе опыта высококвалифицированных специалистов и традиций предприятий /14,46/. Такой подход весьма ограничен, в связи с этим требуется методика, позволяющая оценить возможность реализации идеи, заложенной в прибор. Только технология сборки и юстировки, базирующаяся на научных методах исследования, а не создаваемая опытным путем, может обеспечить быстрое внедрение новых разработок, оценку технического уровня существующих образцов и их совершенствование. Успешное проведение анализа реальной системы на стадии проектирования может быть осуществлено на основе ее математического описания.

Известно /57/, что с целью удобства и наглядности описания среди передаточных характеристик, которыми характеризуется преобразование предмета в изображение, осуществляемое оптическим прибором, можно выделить три группы: масштабные, энергетические и структурные. Масштабные характеристики описывают преобразование координат точек предмета в координаты соответствующих им точек изображения. Именно преобразование координат, характеризующее положение точек предмета или изображения, является, в обобщенном виде целевой функцией большинства применяемых в оптических приборах ЗПС. Для математического описания таких систем будем представлять их координатными преобразователями.

Задачей диссертационной работы является создание универсальной и в то же время доступной для инженеров-оптиков методики анализа зеркально-призменных координатных преобразователей (ЗПКП) с учетом технологических погрешностей изготовления, сборки и возможности их компенсации; исследование ЗПКП существующих приборов, а также разработка и анализ новых схем оптических приборов с ЗПКП. Предлагаемая методика может быть применена и для других задач, связанных с ориентированием объектов в пространстве. Положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование возможности применения метода кватернионов и би-кватернионов для математического описания функционирования ЗПКП.

2. Методика составления алгоритма нахождения функции преобразования, выполняемой ЗПКП.

3. Методика точностного анализа ЗПКП для объективной оценки и управления конструкторско-технологическим процессом при их разработке.

4. Требования к построению принципиальных схем точных широкодиапазонных нивелиров с зеркально-призменными компенсаторами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обосновано применение аппарата бикватернионов для математического описания функционирования ЗПКП, обеспечивающего простоту и наглядность представления исходных данных. Доказан ряд положений с вытекающими из них правилами операций над векторами и радиусами-векторами.

2. Разработана методика составления алгоритма построения математических моделей функционирования ЗПКП, позволяющая записать операторы исходных преобразований в соответствии с логической постановкой задачи.

3. С целью автоматизации проведения аналитических исследований ЗПКП составлена и отлажена программа для ЭВМ EC-I022, позволяющая получить функцию преобразования любого исследуемого устройства в явном виде через геометрические параметры его схемы и с учетом технологических погрешностей.

4. Предложена общая методика точностного анализа ШКП, являющегося основой синтеза оптимальной схемы и совершенствования имеющихся, оценки влияния технологических погрешностей на точность работы, разработки рациональных приемов контроля, сборки и юстировки.

5. С помощью разработанной методики проведено аналитическое исследование ряда известных устройств и приборов, которое показало, что достижение регламентируемых нормативно-техническими документами показателей точности невозможно без научно обоснованных методик сборки и юстировки.

6. Экспериментальная проверка подтвердила адекватность составленных математических моделей, правильность и эффективность применения разработанных методик сборки и юстировки рассмотренных устройств.

7. Проведено аналитическое исследование более десяти схем нивелиров с зеркально-призменными компенсаторами.

8. Выработаны требования для построения принципиальных схем точных нивелиров с широкодиапазонным компенсатором. Показано , что ни одна из существующих схем узкодиапазонных нивелиров этим требованиям не удовлетворяет.

9. Предложена, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена работоспособность и сборочно-юстировочная технологичность оригинальной схемы точного нивелира с широкодиапазонным компенсатором, которая принята за основу для разработки опытного образца прибора.

1. Автоматизация юстировки оптических элементов в лазерных установках. - ФИАН АН СССР, препринт, В 135, М., 1977

2. Базисный рефал и его реализация на вычислительных машинах. М.: ЩИПИАСС, 1977.

3. Бесчасный Г.К., Раик М.В. О новых нивелирах для инженерных изысканий. Инженерные изыскания в строительстве, реф.сб. 3(6), серия П, 1970.

4. Бесчасный Г.К., Раик М.В., Рейшер Э.Г. Подшипниковые подвески чувствительных элементов в маркшейдерско-геодезических приборах. Сб. статей БНИМИ, Л., 1974.

5. Бесчасный Г.К., Раик М.В., Соловьев В.М. А.с. № 4I247I. -Бюл. изобр., 1974, № 3.

6. Бесчасный Г.К., Раик М.В., Соловьев В.М. Нивелир с широкодиапазонной стабилизацией линии визирования без установочного уровня. Инженерная геодезия. М., 1976, ч.2.

7. Бородачев Н.А. Обоснование методик расчета допусков размерных и кинематических цепей. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1943, ч.1, 1946, ч.2.

8. Бранец В.Н., Шмыглевский Н.П. Применение кватернионов в зазачах ориентации твердого тела. М.: Наука, 1973.

9. Браславский Д.А., Петров В.В. Точность измерительных устройств. М.: Машиностроение, 1976.

10. Бронштейн Ю.Л. Алгоритмы идентификации зеркальных угломерных систем. Тр.ЩИГАиК, 1975, вып.210.

11. Бруевич Н.Г., Точность механизмов. М.-Л.: ОГИЗ Гостехиздат, . 1946.

12. Буловский П.И. Основы сборки приборов. М.: Машиностроение, 1970.

13. Буслаева В.Е., Корнева А.Ы., Налбандов Л.В., Сорокина И.С. Исследование в области линейных и угловых измерений. -Сборник научных трудов НПО "ВНИМИ им. Д.И.Менделеева",1983.

14. ГОСТ 2.121-73. Технологический контроль конструкторской документации. Введен с I января 1975 года.

15. Грейм И.А. Элементы проектирования и расчет механизмов приборов. Л.: Машиностроение, 1972.

16. Грейм И.А., Огурцов И.Е., Сочивко Е.Н. Эквивалентные тройные зеркала с некомпланарными нормалями.- Изв.вузов.Прибо-ростроение, 1973, т.ХУ1, & 3.

17. Грейм И.А., Шефтель М.Б. Бикватернионы в задачах расчета зеркально-призменных систем. Изв.вузов. Приборостроение,1977, № II.

18. Грейм И.А. Зеркально-призменные системы. М.: Машиностроение, 1981.

19. Грейм И.А., Оптические дальномеры и высотомеры геометрического типа. М.: Недра, 1983.

20. Гудман С. Введение в анализ и разработку алгоритма. М.: Мир, 1981.

21. Деймлих Ф. Геодезическое инструментоведение. М.: Недра,1970.

22. Диментберг Ф.М., Теория винтов и ее приложение. М. :Наука ,1978.

23. Елизаров Н.Ф. Пособие по работе на стереопланиграфе. М.: Геодезиздат,1956.

24. Елисеев С.В. Геодезические инструменты и приборы. М.: Недра, 1973.

25. Еськов Д.И., Степин Ю.А., Торопин В.А. Методы и средства стабилизации оптического изображения. ОМП, 1982, $ I.

26. Иванцов А.И. Основы теории точности измерительных устройств. М.: Изд-во Стандартов, 1972.

27. Кантор И.Л., Солодовников А.С. Гиперкомплексные числа. М.: Наука, 1973.

28. Катыс Г.П., Мустель Е.Р. и др. Методы модуляции и сканирования света. М.: Наука, 1970.

29. Карасев В.Б. Особенности использования кольцевых резонаторов в ОКГ на твердом теле. Тр.ЛИТМО, 1976, вып.85.

30. Кемпинский М.М. Проектирование механизмов измерительных приборов. М.: Машгиз, 1959.

31. Кемпинский М.М. Точность и надежность измерительных приборов. Л.: Машиностроение, 1972.

32. Кожевников Ю.Т. Оптические призмы. М.: Машиностроение,1984.

33. Контиевский Ю.П., Назмиев Н.М. А.с. № 606154. йол.изобр., 1978, $ 17.

34. Корн Г.К., Корн Т.К. Справочник по математике. М.:Наука,1977.

35. Коротков В.М., Тайц Б.А. Основы метрологии и теория точности измерительных устройств. М.: Изд-во Стандартов,1978.

36. Кочетов Ф.Г. Нивелиры с самоустанавливающейся линией визирования. М.: Недра, 1969.

37. Кручинина Н.И., Каракулев Ю.А., Калинин М.И. А.с.$974119.~ Бюл. изобр., 1982, № 42.

38. Кручинина Н.И., Бесчасный Г.К. и др. А.с. № 1044974. -Вол. изобр., 1983, $ 36.

39. Кулагин В.В. Основы конструирования оптических приборов. Л.: Машиностроение, 1982.

40. Кузнецов П.Н., Васютинский И.Ю., Ямбаев Х.К. Геодезическое инструментоведение. М.: Недра,1984.

41. Лурье A.M. О теории конечных поворотов твердого тела. -Прикладная математика и механика, 1957, т.XXI, № 4.

42. Мейтин В.А. Вопросы исследования и разработки зеркально-призменных устройств коллинеарного переноса. Аналитический обзор за 1963-1979 гг., № 2824, 1981.

43. Михеичев B.C. Практикум по курсу "Геодезические приборы", М.: Недра, 1974.

44. Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве. /Под общ.редакцией В.Е. Дементьева. М.: Высшая школа, 1982.

45. Осипова Л.П., Матвеева С.Н., Бабаев А.А. Стабилизация оптических приборов работающих с рук. ОМП, 1982, № 2.

46. ОСТ 3-1506-72. Оценка и отработка на технологичность конструкций и изделий отрасли/Введен с I января 1974 года,

47. Пешехонов Б.Л. Графоаналитическая геометрия в применении к оптическим задачам. Л.: Машиностроение, 1967.

48. Пейсахсон И.В. , Таркин Н.Н. 0 расчете хода луча в произвольной оптической системе. ОМП, 1966, № II.

49. Погарев Г.В., Бурбаев A.M., Кручинина Н.И. 0 неадекватных методах контроля в оптотехнике. Тр.,ЛИТМ0, 1977, выпеЭО,

50. Погарев Г.В. Оптические котировочные задачи. Л.: Машиностроение, 1974.

51. Погарев Г.В., Кручинина Н.И. К теории ошибок угломерного перископа. Тр.ЛИТМО. Оптическое приборостроение, 1980.

52. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. Л.: Машиностроение, 1982.

53. Погарев Г.В., Кручинина Н.И. Разработка методики юстировки двухзеркального шарнира. ОМП, 1984, № 5,

54. Потепун В.Е. О представлении в кватернионной форме,прохождения лучей через систему оптических поверхностей. Тр.ЛИТМО.

55. Расчет, конструирование и исследование точности оптическихсистем, 1976, вып.84.

56. Потепун В.Е. 0 применении кватернионов в геометрической оптике. Тр. ЛИТМО. Расчет, конструирование и исследование точности оптических систем, 1976, вып.84.

57. Рейтер Э.Г. К расчету чувствительности подшипниковой подвески. Инженерная геодезия. Л., 1975, ч.1.

58. Родионов С,А. Автоматизация проектирования оптических систем. Л.: Машиностроение, 1982.

59. Русинов М.М. Юстировка оптических приборов М.: Недра,1969.

60. Рябов Ю.И., Крупп Н.Я. и др. А.с. № 469885. Еюл.изобр., 1975, № 17.

61. Сакин И.Л. Выверитель параллельности осей оптических систем.-ОМП, I960, № 12.

62. Сарвин А.А. Системы безконтактных измерений геометрических параметров. Изд-во Ленинградского университета, 1983.

63. Сивцов Г.П., Лобасов М.А., Москвичева Л.М. Расчет тройки векторов в оптической системе, содержащей зеркала и отражательные призмы с использованием ЭВМ.- ОМП, 1981, № II.

64. Сивцов Т.П. Исследование свойств, особенностей расчета и юстировки зеркально-призменных шарниров. Автореферат диссертации на соискание уч.степени к.т.н. Л., 1982.

65. Соловьев В.М., Рейшер Э.Г. и др. А.с. № 1067355. Еюл.изобр., 1984, $ 2.

66. Спиридонов А.Н., Кулагин Ю.Н., Кузьмин М.В. Поверка геодезических приборов. М.: Недра, 1981.

67. Сухопаров С.А. , Долинский И.М. Передаточные коэффициенты оптических систем. ОМП, 1967, № 4.

68. Сухопаров С.А. Оптическое приборостроение. Изв.вузов.

69. Приборостроение, 1972, т.ХУ, № 12.

70. Сухопаров С.А., Дмитриев В.А. Проектирование оптических приборов с помощью пространственных передаточных коэффициентов. Тр.ЛИТМО, 1976, вып.84.

71. Торопин В.А. Методика расчета скоростей случайного движения изображения при перспективном кадровом фотографировании. ОМП, 1982, Ш I.

72. Федотов Н.В., Потепун В.Е. 0 погрешностях многозеркальных светоделительных призменных систем. Тр.ЛИТМО. Оптико-электронные приборы в контрольно измерительной технике,1983.

73. Хацевич Т.Н. Оптические системы лазерных сканирующих устройств с плоскостной разверткой. Оптические и оптико-электронные приборы, Новосибирск, 1982.

74. Холл Г. Вычислительные структуры. Введение в нечисленное программирование. М.: Мир, 1978.

75. Цуканов А,А. Применение кватернионов Гамильтона к решению задач зеркальной развертки. Тр.ЛИТМО, Приборы и методы высокоскоростной киносъемки, Л., 1974, вып.78.

76. Черемисин M.G., Ардасенов В.Д. , Кольцов В.П. Нивелиры с компенсаторами. М.: Недра, 1978.

77. Hamilton WA. Elements of Quaternions. Chelsea PaSlishing Сатрапу } New Уогк, У969.

78. MitcheBC E.L., Rogers A.E. Quaternion Paiametzs in the SimuCation oj a Spinning Rigid- Body. Simu€ation,1. Hew Уогк, 4968.

79. RoBinson A.c. On the Use of Quaternions in Si/nutationof Ricjic(~ Body Motion. WADfi TechnicaC tepozt, </95?, V 58- /?.

80. Stein6ach M. Zukunftige J/ufgaSen und Mogeichkeitea des Wissenscha/1lichen Oeiategaas.- Teingevatetechntk34980, 29, ^40.

81. YJagnet H. Zwz matemcrtischen Beha nd €ung ton. Spiege-iungen.- Optik, 4954, 8, л/40.

82. Juncj&Bat F. Mog&chkeiten det tech no£ogi$chen etnj-dujb-ridhme auf die QuaEitdt gezatetechnischet Sizeugnisse in. dei Phase ihlez 8atusichtung , 25 CfnL IVcss KoMo<p.t

83. Otmenau, 27-34 OAt.y 4980, Hejt 6, Voitxagei S3.