автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование метода определения угла скручивания на основе явления анаморфозы

На правах рукописи

НА ОСНОВЕ ЯВЛЕНИЯ АНАМОРФОЗЫ

Специальность : 05.11.07.- Оптические и опткко-электронные приборы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКГ-ГЕТЕРБ'/РГ - 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Институте точной механики и оптики (Техническом университете)

Научный руководитель

Научный консультант

Официальные оппоненты

Ведучцая организация

доктор технических наук, профессор Панков Э.Д.,

кандидат технических -наук, доцент Коняхин И.А.

доктор технических наук, профессор Латыев С.М.,

кандидат технических наук ; доцент Й'4йаоь!в.В.

БНЦ ГОИ ш. С.И. Вавилова

Защита диссертации состоится 1996 г.

_ часов _ минут на заседании диссертационного

совета Д 053.26.01 "Оптические и оптике - электронные приборы" при Санкт-Петербургском Государственном ;шституте точной механики и оптики ( Техническом университете ) по адресу : - ^

г. Санкт-Петербург. М (аОЛинСМЛ^^в 422.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПГИГМС

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного, совета Д 053.26.01 - кандидат технических неук, доцент

М-гСлУ В. М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При выполнении сборочных и котировочных работ и при решении других задач приборостроения и машиностроения часто возникает необходимость осуществления бесконтактных дистанционных измерений взаимной угловой ориентации разнесенных в пространстве объектов. Для определения угловой ориентации в пространстве контролируемого объекта относительно неподвижного базового объекта используются оптико-электронные угломеры, позволяйте автоматнг^сэзть процесс нам?рэнил, узеличить точность, а так*е повысить быстродействие измерительного комплекса.

Частной задачей определения угловой ориентации объекта является определение угла поворота объекта относительно линии, соединяемой его с базовым объектом и называемой осью окручивания. Многообразие углоизмеригельных пркбероз, предназначенных для решения этой задачи, можно разделить на три группы: приборы геометрического типа, оенэвакны? на смецекга: изображения марки а фокальной плоскости объектиза приемника; приборы золновего типа, испольгую-дое явления волновой оптики и приборы смешанного типа, работа которых осноЕЕна на сочетании различных принципов угловых измерений.

Однако в ряде практических случаев специфика выполняемой работы не позволяет использовать существуете приборы из-за особенностей построения их оптических схем. Например, отсутствуют угломеры, способные обеспечить измерение угла скручивания при одновременном изменении дистанции между базовым и контролируемым объектами.

Проектирование таких приборов, поиск принципов, лежащих в основе их работы является актуальной задачей измерительной техники.

Цель работы. Цэльч диссертационной работы является исследование возможности создания оптико-электрояньк угломеров для определения угла скручкЕанкя,принцип действия которых основан на использовании явления анаморфозы.

Указанная цель достигается следящим:

1. Изучением современных методов и средств угловых измере- ; ний и формулирование основных требований к опткко-электронным угломерам.

2, Анализом работы ряда глпамеккых трансформирует;}« систем с течки ¿рения Еогмолности их использования для измерения угла скручивания н разработкой нозых подхоля:дас по параметрам трансформирующих систем.

3. Созданием математической модели неизменной телескопической акачорфозной систеки (ПТАС) и ее использованием для анализа работы угломера.

4. Разработкой вариантов построения оптических схем углезеров, 'отвечгепцг-: поставленным требованиям и характерпгуюгдхся однозначным соответствием дожгу аяЛгг/ижоянсй величиной и параметром ориентации.

5, Проведением экспериментальных исследований свойств отражателя о ПТАС.

Методы исследования. При ресении поставленных гадач использовались положения математического анализа, линейкой алгебры, векторной алгебры, аналитической геометрии, статистического ака-лигз. На отдельных этапах исследования применялось математическое имитационное моделирование, выполняемое, ка^. и расчета, с помосью 53М.

Научна?, новизна работы заключается в применена ЯЕлекнл анаморфозы, обычно иопольвуемого ь ¡с.ко- и фототехнике, для репекня углоизмеритгльных задач. Использование в схеме ПТАС погвелдет определять угол скручивания принципиально отличным от существующих-способом, з именно по изменению форма изображения марки. В результате угломер приобретает положительны* качества: увеличение диапазона измеряемых углов при л;гнейкости статической характеристики, возможность функционирования бег перенастройки при изменении дистанции работы, малые габариты, сравнительно кебольсая стоимость. Достоверность результатов работы подтверждается совпадением теоретически выводов и зависимостей с ресул! татамх зкепери-. ментального исследования.

Основные результаты, ьькоенше на защиту:

1. Ог.т.гческая скеиа и принцип построения угломера с отражателей с ПТАС, отвечаете требован;1ям,сфор1.г/лпрованнъ£м ка основе анализа суз^отгусцпх схем.

2. Аналитическое лредстзпле:-:к* отражателя с ДТАС, вывод ста-Т1гч8ской х&рактерктккк угломера ка основании матрицы действия отражателя с ЛТАС.

3. Математическая модель ПТАС и возможности ее применения.

4. Необходим:» условия реалнззпки линейной статически* характеристики.

5. Схемы отражателей экспериментальное подтверждение те-орет;г-;еск:к подо.!»:;::; работы угломера о ПТАС.

Практическая ценность работы:

а. Прог-едек алэлпз существующих оптических трансформирую^« систем, с поморье разработанных программ для ЭВМ осуществлен выбор ПТАС.

2. Разработана методика расчета хода произвольно ориентированного луча через ПТАС.

3. Разработаны схекы угломеров длл определения угла скручивания, построение по зз?схолл:а.:ац::онкс!<!у принципу, способные функционировав без перенастройки при изменении расстояния между базовым и контролируем-: объектами, схены омичавтся неболъшми габзритама, прости в изготовлен:::: :: сравнительно недорогие.

4. Создан лабораторный макет отражателя с ПТАС, позволяющий • определять угль: скруч"вак::я в диапазоне ±15 угл.град.

Апробация работы. По материалам диссертации были прочитаны доклады на I к II Всесоюзных конференциях молодых ученых и специ- ■ . алистов "Теорет!г:еск.гл ;: прикладная оптика" (Ленинград, 1984,1936), на XVIII научно-технической конференция молодых ученье: и специалистов отрасли (Красногорск, 1989), ка Есесоюгных конференциях "Оптические ;: оптико-электронные метода и приборы для точных угловых л л:.":;-:ьл измерений и оптронкая техника" (Москва, 1835,195:';, на семинаре "Оптпко-электронные методы и средства з контралъко-пгуерптельной технике"(Москва, 1691). .

Публикации. 0;нсг:чк5 результаты работа подтверждены тремя авторски-« свидетельств.'!: к кзлскэкы а тезисах докладов на конференциях к двух стать .-V,

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глаз и эаслючения, библиографического списка из 38 наименований, в том числе 6 иностранных, 4 приложений, содержит 127 страниц основного текста, 54 рисунка, *1 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ.

Ео введении обосновывается актуальность работы, сформулирована ее цель, новизна и основные положения,Еыносимые на ззщи-ту. Кратко списано содержание глаз диссертационной работы.

В первой .главе проведен анализ методов и схем приборов д.тя намерения' угла скручивания. Оки классифицирована на три группы: приборы геометрического типа,прибора Белкового типа и приборы смезаного типа. В результате подробного рассмотрения оптических схем приборов, ' представлясцих эти группы, выявлены присущие им недостатки. Некоторые схемы волнового типа построены по коллимационной схеме,, предполагающей расположен:« приемника излучения на контролируемом объекте,.что не всегда возможно реализовать. Работа других приборов (геометрического типа) основывается на наличии угла между падающим и отраженным пучками, а это ограничивает расстояние между базовым и контролируемым объектами при сохранении, приемлемых' габаритоа прибора. Креме того, недостатком является больиая чувствительность некоторых схем к поворотам на колли-, мационные углы.

Сформулированные требования к автокодлкматору и отражателю предлагается удовлетворить на основе использования отличного от известных принципа определения угла скручивания: по изменении формы . изображения марки, происходящего под влиянием специально установленной перед световозвращателем ПТАС. Далее в главе изложено теоретическое представление трансформирующего действия приз-менных систем, основанного на явлении анаморфозы.

Во второй главе анализируются некоторые призмешше системы с точки зрения обеспечения анаморфозы и телеснопичлости при возможно ыалои числе кошюневтов. С помоцью ЭВМ проведен выбор и расчет' параметров двухкомлоневттгх призменкых систем, представляющих собой склекс/ двух прием иди два ориентированных вершинами в проти-

юположные стороны клина о параллель ни,м главными сечениями, при )том плоскость действия анаморфозы совпадает о плоскостью главно-"с сечения призм.

Ка ооноЕе использования положений линейной и векторной ал-■еОры разработана общая методика анализа хода через ПТАС луча, гадакцего вне сагиттальной я меридиональной плоскости. Методика юзеслязт определить ориентацш выходящего из ПТАС луча и коэффи-;лент анаморфозы ПТАС при ее различных положениях относительно 1еподэилкой базовой системы координат. Приведены общая схема и результаты анализа хода луча через призму,склеенную из двух ком-юнентсв.и два одиночных оптических клина. Расчетами показано, 1?о коэффициент анаморфозы системы из клиньев слабее по сравнению :о склеенной призмой зависит от направления падающего, луча; части :зображения, расположенные выше и .ниже оси призмы в меридиональ-юй плоскости будут трансформироваться с равными коэффициентами шаморфоаы, что усложняет использование призмы как ПТАС.

В третьей главе рассмотрены вопросы, связанные о реализацией НАС в конструкции угломера. Предпочтение отдается системе из (вух клиньев, которая устанавливается перед световозвращателем [стеклянным тетраэдром) и перекрывает половину площади его вход-иго зрачка. При поворотах контролируемого объекта вместе о уста-гавленным на нем отражателем, состоящим иэ двух клиньев, образуй- . , 1кх ПГАС, и световозвращателя, плоскость дейотвия анаморфозы этой ;истемы также поворачивается, б результате изменяется форма изображения марки," в соответствии с изменением угла скручивания. В . :оде анализа оптической схемы спроектированного.прибора определе-!ы условия, при которых отсутствует влияние линейных смещений от-¡ажателя относительно оси объектива коллиматора на изображение арки. На основе установленной связи между диаметрами излучающего [ приемного обгективоа эквивалентной оптической схемы и углом >асходимости пучка проведен расчет требуемого диаметра входного рачка. ' . . "

Аналитически доказана возможность реализациипредложенного ■стройства. С помощью аппарата линейной алгебры получена матрица ¡ейстаия отражателя с ПТАС. 'Располагая ей'и пользуясь положениями 'яаигеическои геометрии, проведен выбор формы марки. Информация о • £>рме изображения карта определяется величиной п, характеризуемой тоетой и шириной изображения. Выявлено, что для марки в форме

ромба, одна из диагоналей которого лежит в плоскости действия анаморфозы, величина СЕкеана с углом сг.руч/.Еанг.я и коэффициентом анаморфозы Ка соотношением:

П»С(Ка-1) С05й?1 / (Ка+1) При иэзестной величине Ка, характеризующей вы5раяную оптическую систему, существует однозначное соответствие мэхду величиной п :: углом if на всем интервале углоз 9££0;1.Б7083. К тому же на кнтер-вале v £[0 ^ZSSii.O-i^S] полученная зависимость 7i«f(<?) может быть представлена с помощью разложения по формуле Тейлора линейным многочленом:

f (<?) С-2(Ка-1) / (Ка+1) 3 (<?-0,7354) Так что в диапазоне угла .равном ±15 угл.гргд., статическую) xspa-териоткку устройства ыохко считать линейной.

В четвертой главе рассмотрены схемы двух анаморфоэкых угломеров, являющиеся кодификациями предложенной Еьпе схемы. Оптическая схема первого устройства отличается от рассмотренной ранее меньпим количеством компонентов, составлящк отражатель, а выражение для статической характеристики остается пре.у.:-::?.:. В данной схеме трудно разделить понятия световозвращатель и ЕТАС, поскольку отекзянный тетраэдр, являясь отражателькш элементом схемы, выполняет роль части трансформирующей системы, другой частью которой является оптической клин. Так что отражатель здесь состоит только ив двух элементов, что упроцает его изготовление я юстировку.

Оптическая схема еще одного углоизмеритедьного прибора позволяет повысить чувствительность измерения. Это достигается посредством уотановки перед световозвращателем, кроме ПТАС, еще двугранного зеркала, перекрывающего вторую половину входного зрачка световозвращателя. Ребро зеркала составляет угол 45 угл.град. о плоскостью действия анаморфозы ПТАС и поворачивает трансформированное изображение марки на 90 угл.град. В результате изменяется сначала высота изображения, а затем, после поворота и вторичного прохождения пучком лучей ПТАС в обратном направлении, еще и ширина. Далее приводится математическое описание работы этого варианта схемы, получена матрица действия отражателя, еы6-рана необходимая форма марки.

Статическую характеристику устройства, полученную в виде

ni = [Cl+KaZ)/KQ3 сон2<? в результате разложения по формуле Тейлора на интервале <? с [0.5235; 1.0472] можно заменить линейным многочленом: тл—2(9-0,7654) (14-КЙ2) / Ка Чувствительность рассмотренной здесь схемы Еыпе чувствительности первой «еш в (l+KaZ)*(Ka+i)/Ka*(Ka-l) pas. Например, при .Ка» 1.4112 чувствительность повышается в 12.4 раз.

Дальнейший материал главы содержит информация о результатах исследования работы экспериментального образца отражателя С ПТАС. Полученные данные эксперимента оказачись соответствующем теории и i.ory? быть оценены линейной моделью вида n» a+by. Все это подтверждает возможность использования явления анаморфозы при создании угломерных приборов, определяющих угол скручивания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основ:-:*:« результаты и выводы, полученные в ходе работы по исследована возможности определения угла скручтаания углоизмери-тельным '/свойством с ПТАС, заключаются в следующем:

1. На основе анализа суцествущих методов и схем угломерных приборов орсрмулирозаны требования к автсколлиматору и отражатели.

К. Предложен новый пр::нцип определения угла скручивания: угол определяется п изменении аяамор^озным элементом - ПТАС, входящая в состав отражателя, формы изображения марки. Таким образом обеспечивается возможность независимого измерения угла скру-ч/.ьанил по стноае:нш к коллимационным углам, простота конструкции, возможность использования отражателя на подвижных основаниях при сохранении линейности статической характеристики прибора.

3. Проведенным анализом некоторых существующих призменных трансформируй« систем доказана невозможность их использования в качестве ПТАС. Предложены отвечающий требованиям к отражателю схемы дзухкомяонентных ПТАС и проведен расчет их параметров. ,

4. Разработаны математическая модель ПТАС, учитываодая ориентации исследуемой ПТАС относительно базогой системы координат и обитал методика расчета коэффициента анаморфозы и координат выходящего • иг ПТАС луча относительно падающего. С их помощью можно оценить влияние случайных поворотов ПТАС вокруг трех взаимно перпендикулярных осей на ориентацию выходящего из ПТАС луча и спре-

делить изменеи. ^ коэффициента анаморфозы по полю зрения.

5. Предложены три варианта схем огратдтелей для угломеров, ояределящих угол скручивания,отвечающие сформулированным требованиям. Схемы построены по автоколлимационнсму принципу, предполагающему расположение ка контролируемом объекте отражательноге блока небольших габаритов и простой конструкции, статическая характеристика схем линейна в диапазоне ±15 угл.град. Использование ПГАС в качестве компонента схем делает отражатель акаморфоеньз* г. телескопическим и устраняет необходимость перенастройки пркборог при изменении расстояния между Саговым и контролируемым объектам?

6. Разработана конструкция и создан лабораторный макет отражателя с ДТАС. Сопоставление результатов теоретических и экспериментальных исследований макета подтвердили правильность изложенных теоретических положений и методик расчета.

Ооноаные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Зубенко Д.Ю., Коняхин И. А. Оптико-электронный автоколлиматор для измерения угла скручивания // Теоретическая и прикладная оптика:Тезисы докладов на I Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов.-Ленинград,1984.-С.189.

2. Зубенко Д.Ю., Коняхин И.А. Оптика-электронный углекзмери-тельный автоколлиматор // Теоретическая и прикладная оптика:Тезисы докладов на II Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов .-Ленинград.1988.-С.310.

3. А.о. 1430742 СССР, МКИ 6 01 В 11/26. Оптико-электронное устройство для измерения угла окручивания объекта / Д.».Зубенко, И.А.Коняхин, Э.Д.Панков, А.Л.Андреев(СССР).- N 4225215/24-28; За-КВ.07.04.87; 0публ.15.10.88,Бюл.М 33.

4. Эубенко Д.Ю., Коняхин И.А. Оптико-электронньш угломер: Материалы XVIII научно-технической конференции молодых ученых и специалистов отрасли, Красногорск - 1989.-С.3.

5. Зубенко Д.Ю., Коняхин И.А. Угломер для определения угла окручивания // Оптические и оптико-электронные методы и приборы .для точных угловых и линейных измерений и оптрояная техника: Те-висы докладов на конференции, Киев.-Москва,1989.-С.23.

6.Зубенко Д.Ю., Коняхин И.А. Об одном варианте угломера для намерения угла скручивания // Изв.вузов СССР.Приборостроение.-1980,- Т.за.м 8.-С.78-81.

- Ii

7. Зубенко Д.В..Коняхин И.А. Устройство контроля углового сложения объекта нг. основе явления анаморфозы // Оптико-элвкт-онные методы и средства в контрольно- измерительной технике: Ма-ериаяы семинара.-Москва, 1991. -С. 89-91.

8. A.c. 17179Б2 CCCF, МКИ G 01 В 11/26. Отражатель для опти-о-электронного углоигмерительного устройства / Д.Ю.Зубен-о,И.А.Коняхин,Э.Д.Панков (CCCP).-N 473756S/28j Заяв.16.09.89j публ. 07.03.02,Вол. N 9.

9. A.c. 1728653 СССР, МКИ Q 01 В 11/26. Отражательная оиств-а оптико-электронного устройства для измерении угла окручивания Д.Ю.Зубенко, Л.А.Коняхин, Э.Д.Панков (СССР).- N 4827757/28; 8а-

В. 21.05.90 ; Опубл. 2S.04.92. Бвл.Ы 15.

10. Зубенко Д. О. Исследование отражателя о анвморфоьнш гле-янтом для автоколлиыационного угломера // Изв.вузов. Прибороот-оекие.- 1993.- N 3.-С.76-80.

Подписано к печати 15,12.95 г. Заказ 222 Тирая 100 акз.

Объем 1,75 а.л. Бесплатно.

Ротапринт. ¡СТО. I90GG0, Санкт-Детерйург, пер.Гривцова, 14