автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Оптико-электронные системы измерения геометрических параметров изделий в машиностроении

»» г) I

I

1

1 0 Ф1г На правах рукописи

ШИЛИН Александр Николаевич

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные системы (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1997

Работа выполнена в Волгоградском Государственном техническом университете.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Муха Ю.П. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Цветков Э.И. доктор технических наук, профессор Исмаилов Ш.Ю. доктор технических наук, профессор Панков Э.Д.

Ведущая организация:АООТ "ВНИИПТхимнсфтсаппаратуры",

заседании диссертационно , . ^ бургского

Государственного электротехнического университета по адресу: 197376, г. Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 5

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета

г.Волгоград

Защита состоится

часов на

Автореферат разослан "1^1 " _199$г

Ученый секретарь диссертационного совета

Ис ■ сов А.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Современное развитие отечественного машиностроения связано с совершенствованием технологических процессов и повышением качества выпускаемых технических объектов и изделий. Эти требования становятся особенно жесткими в условиях рыночной экономики, где конкурентоспособность выпускаемых объектов и изделий имеет особо важное значение. Международный рынок диктует постоянную тенденцию к повышению качества выпускаемой продукции при снижении ее цены. А это в свою очередь формирует задачи управления качеством в промышленности. Управление, планирование и экономическое стимулирование развития качества все более концентрируется на обеспечении работ без брака. Эта стратегия является ведущей в промышленно развитых странах.

По экономическим и функциональным причинам техника развивается в направлении усложнения изделий, уменьшения технологических допусков, все большего соединения стадий производства и его технологической подготовки, а также повышения требовании к гибкости производства из-за быстрой смены изделий. Все эти проблемы могут быть решены при автоматизации технологических процессов в промышленности.

Одной из основных причин, которая препятствует внедрению систем автоматизации в промышленности, является отсутствие высокоэффективных и точных измерительных приборов и систем для контроля технологического процесса и изделий, поскольку системы автоматизации требуют получения большого объема измерительной информации за ограниченный промежуток времени.

Особенно актуальна эта проблема в отраслях машиностроения, выпускающих крупногабаритную химнефтеаппаратуру, энергетическое оборудование, аэрокосмнческую технику и другие виды габаритной продукции. Одним из основных технологических процессов на заводах этих отраслей является гибка крупногабаритных деталей из листовых заготовок в нагретом состоянии. Этот технологический процесс в отличии от других, например, обработкой резанием, является безотходным и менее энергоемким, т.е. более экономичным.

В тоже время точность и производительность таких технологических операций не отвечает современным требованиям производства, что в первую очередь связано с отсутствием на предприятиях контрольно-измерительных средств, позволяющих осуществлять измерения основных геометрических параметров деталей в течении технологического процесса. Отсутствие измерительных средств в свою очередь сдерживает внедрение систем автоматизации.

Положение на заводах отраслей таково, что, выпуская сложную и уникальную аппаратуру, контроль геометрических параметров основных базовых деталей осуществляется в основном с помощью рулеток, шаблонов и других контактных ручных средств. Реже применяются оптические измерительные устройства, выполненные в основном на базе теодолита.

Все эти измерительные средства не обеспечивают необходимой точности и оперативности контроля, а в случае изготовления детали в нагретом состоянии (700-1000°С) их использование становится практически невозможным. По эюй причине такие детали контролируются после остывания и если размер ее не соответствует заданному, то осуществляется повторный технологический цикл, причем с дополнительными операциями, что увеличивает трудоемкость и энергозатраты изготовления детали. Кроме того, невысокая точность изготовления деталей приводит в свою очередь к дополнительным затратам на сборочные и монтажные операции и отрицательно влияет на ее эксплуатационные показатели.

В тоже время существующие в металлообработке измерительные средства и автоматизированные системы управления технологическими процессами практически невозможно использовать в производстве детали, представляющей собой гибкую оболочку, например, обечайки -основной базовой детали химнефтеаппаратуры, поскольку в течении технологического процесса на валкововой листогибочной машине деталь в результате деформации теряет свою первоначальную форму и меняет свое положение в пространстве. По этой причине потерпели неудачу попытки различных организаций и коллективов использовать в качестве системы управления технологическим процессом гибки системы числового программного управления металлорежущими станками.

Разработка информационно-измерительных систем (ИИС) определения геометрических параметров крупногабаритных деталей в процессе их производства в настоящее время сдерживается отсутствием в литературе обобщающих публикаций по анализу и синтезу измерительных преобразователей, работ по цифровому моделированию структур и параметров информационно-измерительных систем, а также аналитических методов инженерного расчета основных параметров элементов н блоков систем.

Таким образом, комплексное решение вопросов автоматизации контроля и управления производством крупногабаритных детален на базе информационно-измерительных систем определения геометрических параметров крупногабаритных деталей является актуальной научно-технической проблемой, имеющей важное практическое значение.

Цель работы заключается в разработке методологии проектирования измерительных преобразователей и структур оптико-электронных систем измерения геометрических параметров крупногабаритных деталей, методов цифрового моделирования и расчета основных параметров элементов и структур измерительных систем.

Работа обобщает многолетние исследования и разработки, проведенные при непосредственном участии и научном руководстве автора в Волгоградском Государственном техническом университете (ВолгГТУ). Исследования проведены в рамках следующих научно-исследовательских работ: хоздоговорная тема с Волгоградским государственным тракторным заводом "Автоматизированная система научных исследований узлов и агрегатов трактора на стендах" за 19851988 гг., гос. заказ 193-88 министерства химического и нефтяного машиностроения ''Исследование, разработка и испытание экспериментального образца информационно-измерительного модуля технологического процесса правки цилиндрических обечаек" за 1988-1989 гг., хоздоговорная тема с Волгоградским заводом нефтяного машиностроения им. Петрова "Оптико-электронная система для измерения диаметров днищ химнефтеаппаратуры" за 1990-1991 гг., ' тема "Автоматизированная система управления формообразованием крупногабаритных детален" в разделе "Фундаментальные основы создания высоких технологий специального машиностроения" программы "Университеты России" за 1994-1997 гг., госбюджетная тема "Измерительные информационные системы" за 1990-1996 гг., финансируемая госбюджетная тема "Разработка и исследование методов контроля геометрических параметров изделий" за 1995-1997 гг.

Методы исследования. В работе использованы методы теории функции комплексного переменного, теории т.-преобразования, теории случайных функций, теории графов, теории автоматического управления, теории электрических цепей, а также эвристические методы проектирования технических устройств и систем.

Научная новизна:

- разработан метод использования теоремы Котельникова (теоремы отсчетов) для оценки оптимального объема получаемой измерительной информации для разработанной или выбранной схемы измерения геометрических параметров;

- разработана методика анализа схем измерения и определения методических погрешностей оптико-электронных систем измерения, основанная на теории функции комплексного переменного;

- разработана методика цифрового моделирования аналоговых устройств ОЭС по электрическим схемам и схемам замещения, основанная на использовании г-преобразования;

- разработана методика оценки погрешностей цифровых моделей и численных рекуррентных методов с использованием г-преобразования и теории графов;

- разработана методология проектирования измерительных преобразователен ОЭС с помощью обобщенных схем;

- разработана методика определения основных параметров измерительных преобразователен ОЭС.

На защиту выносятся:

1. Математические модели схем измерения и методики аналитического исследования методических погрешностей оптико-электронных систем измерения геометрических параметров крупногабаритных изделий.

2. Цифровые модели время-импульсных и аналоговых устройств оптико-электронных систем измерения геометрических параметров изделий.

3. Методика анализа погрешностей численного рекуррентного метода моделирования устройств ОЭС.

4. Методология проектирования измерительных преобразователей ОЭС.

Практическая значимость работы:

- разработаны оптико-электронные измерительные преобразователи положения кромки детали, износа детален, величины крутящего момента, температурь! изделий, центра полой цилиндрической детали;

- разработаны автоматические системы базирования измерительных преобразователей, коррекции величины температурной деформации, адаптации основных параметров измерительных преобразователей и устройства ввод измерительной информации в ЭВМ;

- разработан эффективный метод машинного анализа электрических и электронных устройств измерительных н автоматических систем;

- разработана практическая методика оценки погрешностей рекуррентных программ цифровых управляющих систем;

- разработан метод управления качеством технологического процесса производством крупногабаритных изделий в машиностроении.

Разработанный математический метод геометрических преобразований может быть использован в различных областях науки и техники, например, теории машин и механизмов при проектировании кулачковых механизмов, в робототехнике при разработке и управлении различными захватывающими устройствами.

Предлагаемые принципы проектирования мог>т быть использованы при создании машинных методов проектирования измерительных устройств с использованием банка данных физических эффектов.

Реализация научно-технических результатов. Основные результаты теоретических и экспериментальных работ автора при непосредственном его участии внедрены в промышленность и учебный процесс. В частности, эти результаты нашли применение при создании:

- оптико-электронного пирометра для измерения температуры нагретых крупногабаритных изделий;

- оптико-электроинон системы для измерения диаметров днищ хнмнефтсаппаратуры;

- оптико-электронной системы для измерения геометрических параметров цилиндрических обечаек в процессе их производства на валковых листогибочных машинах;

- измерительных преобразователей механических величин для автоматизированных систем управления различными технологическими процессами и испытаниями узлов и агрегатов транспортных средств;

- методик и программ для анализа схем измерения геометрических параметров и расчета методических погрешностей оптико-электронных систем;

- методик замены аналоговых устройств и регуляторов систем автоматического управления цифровыми;

- методик и программ для исследования динамических характеристик электронных устройств и элементов систем автоматического управления.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на региональном научно-техническом семинаре (НТС) СевероКавказского центра высшей школы "Оптические и оптико-электронные устройства в автоматических системах" (Краснодар, 1977 г.), Межотраслевой научно-практической конференции "Проведение комплексных мер по ликвидации тяжелого ручного труда" (Волгоград, 1977 г.), Республиканской научно-технической конференции (НТК) "Структурные методы повышения точности, быстродействия и чувствительности измерительных устройств и систем" (Киев, 1981 г.), НТК "Механизация и автоматизация контрольно-сборочных операций в машиностроении" (Волгоград, 1986 г.), Всесоюзной • НТК "Автоматизация поискового конструирования и подготовки инженерных кадров" (Волгоград, 1987 г.), Нижне-Волжском региональном семинаре "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики в народном хозяйстве" (Волгоград, 1990 г. ), НТС "Методы и средства обработки измерительной информации" (Челябинск, 1990 г.), Всесоюзной конференции "Микроэлектронные датчики в машиностроении" (Ульяновск, 1990 г.), Всесоюзном научном семинаре "Метрология лазерных измерительных систем" (Волгоград, 1991 г.), НТС "Компьютеризация учебного процесса" (Астрахань, 1992-1993 г. ).

Бгслад автора. Научная постановка задач теоретических и экспериментальных исследований, решение основных теоретических, методических и практических вопросов, связанных с разработкой математического, алгоритмического н метрологического обеспечения оптнхо-элиаронных систем дня измерения геометрических параметров изделий в машиностроении, разработка принципов проектирования информационно-измерительных систем, разработка программ цифрового моделирования выполнены лично автором диссертации.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 50 научных трудах, в том числе, в учебном пособии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введеши, шести глав, заключения, списка литературы и 7 приложений. Основная часть работы изложена на 270 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 2 таблицы и 201 наименование библиографического указателя. Приложения содержат документы об использовании результатов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы основные цели н задачи исследований, раскрыты научная новизна н практическая ценность, приведены результаты реализации и апробации, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные технологические процессы формообразования крупногабаритных деталей методом гибки из листовых заготовок. Из проведенного анализа следует, что на качество выпускаемой продукции отрицательно влияет большое количество различных факторов. Поэтому в течении всего технологического процесса необходимо осуществлять контроль основных параметров изделия и по результатам контроля воздействовать на технологический процесс. В тоже время в отраслях промышленности, выпускающих крупногабаритные изделия, отсутствуют совершенные средства контроля н измерения геометрических параметров изделий.

Из проведенного анализа технологических процессов следует, что измерительная система должна обеспечивать контроль основных параметров детали в течении всего технологического процесса и определять управляющие воздействия на этот процесс.

Однако, диапазон изменения параметров и характеристик объекта, технологического процесса и окружающей среды (внешних условий) в отраслях промышленности, выпускающих крупногабаритное оборудование, достаточно широк. Причем внешние условия в цехах, выпускающих продукцию в нагретом состоянии, близки к условиям металлургического производства. Например, в химическом н нефтяном ма-

шшгостроенин базовые оболочные детали имеют размеры в широких пределах - 1-10 м, температуру, при которой выполняется гибка, в диапазоне 1100-600 О, материал деталей имеет большой разброс по механическим свойствам. Кроме то го, в цехах температура окружающей среды изменяется в широких пределах и освещенность фона составляет 200-3000 лк.

По этой причине измерительные преобразователи с постоянной структурой и параметрами не могут обеспечить заданной точности измерений в процессе производства детали. Поэтому для обеспечения необходимой точности измерения параметров деталей измерительная система долзкна быть адаптивной, т.е. в процессе измерения должна изменять свои параметры, а возможно и структуру.

Из проведенного анализа методов и средств измерения, которые можно применить для измерения геометрических параметров, следует, что за основу может быть взят оптико-электронный метод измерения углового положения касательной к поверхности детали.

Оптико-электронные приборы имеют следующие достоинства: практически все предметы в природе являются источниками собственного или отраженного электромагнитного излучения оптического диапазона; использование элеюромагнитного излучения в качестве источника информации не сопровождается энергетическим вмешательством в измеряемый объект; элсктромагшгтное излучение оптического диапазона как источник и постель информации обладает непревзойденной емкостью и пропускной способностью; скорость распространения электромагнитного излучения имеет максимально возможное в природе значение; обработка оптической информации легко поддается автоматизации и оптические системы могут решать многофункциональные задачи.

Широкое распространение в оптико-электронных измерениях получил сканирующий метод, который основан на преобразовании (сканировании) углового положения кромки изделия относительно оптической оси объектива во время-импульсный сигнал. Этот метод имеет следующие преимущества: интенсивность потока излучения, прозрачность среды, чувствительность фотоприемников и другие амплитудные факторы практически не оказывают влияния на точность измерения; время-импульсный сигнал с помощью несложных устройств может быть довольно просто преобразован в цифровой код; для математической обработки время-импульсных сигналов могут быть использованы разработанные время-импульсные вычислительные устройства; оптико-электронное сканирующее устройство позволяет одновременно измерять как фазовые так и амплитудные характеристики сигнала; в оптико-электронных приборах могут быть использованы существующие методы и средства борьбы с помехами. Кроме того, сканирующий ме-

тод измерения наиболее удобен для создания адаптивных систем, поскольку в моменты отсутствия сигнала с измеряемой детали могут выполняться операции коррекции аддитивных и мультипликативных составляющих погрешности измерения. Поэтому именно этот метод был взят за основу для разработки оптико-электронных систем измерения геометрических параметров деталей в машиностроении.

Сканирующие оггпгко-электронные измерительные устройства измеряют угловое положение касательной, проведенной от измерительного устройства к сечению контура детали в плоскости измерения. Поэтому для определения функциональной связи между формой детали и ее моделью выполняются геометрические преобразования. Наиболее распространены геометрические преобразования, основанные на математическом аппарате аналитической геометрии, в котором не формализована операция определения знака перед радикалом в формулах координатных преобразог.зкий, что затрудняет использование машинных методов расчета в геометрически преобразованиях. Поэтому разработка формализованного метода геометрических преобразований в оп-тико-электронньос измерительных системах является актуальной задачей.

Поскольку такие системы должны содержать в своем составе ЭВМ, то их расчет и проектирование должно проводится с помощью теоретического аппарата анализа и синтеза систем управления с ЭВМ.

Теоретической основой цифрового моделирования дискретных элементов и систем является метод г-преобразования, наиболее важным свойством которого является возможность нахождения оригинала функции способом, не связанным с вычислением полюсов. Однако большинство систем являются гибридными, поскольку содержат аналоговые и цифровые блоки. Построение алгоритмов цифрового моделирования совместной работы цифровых и аналоговых элементов систем управления является довольно сложной задачей, связанной с необходимостью многократного решения дифференциальных уравнений аналоговой части за один такт работы цифровой части. Расчет и анализ гибридных автоматических систем сложнее, чем непрерывных или цифровых систем. Поэтому разработка метода цифрового моделирования гибридных систем, использующего единый математический аппарат г-преобразованнй, является актуальной задачей.

Кроме того, в области оптико-электронного приборостроения существует большое количество измерительных преобразователей и в тоже время отсутствует методология их проектирования, которая позволила бы создавать автоматизированные системы проектирования оптико-электронных измерительных систем.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей схем измерения геометрических параметров крупногабаритных изделий.

Измерительный преобразователь позволяет измерять только отклонение контура детали от оптической оси преобразователя, а для определения комплексных геометрических параметров крупногабаритных деталей необходимо проводить измерения в нескольких точках относительно некоторой базы, т.е. в процессе измерения необходимо перемещать деталь относительно преобразователя или преобразователь относительно детали по некоторому алгоритму. По выбранному алгоритму измерения определяются структура системы и ее аппаратный состав. Поэтому для выбора алгоритма функционирования системы необходимы анализ всех возможных схем измерения и методика определения методических погрешностей и выбора оптимальной схемы измерения.

Для вычисления управляющего воздействия на технологический процесс необходима информация о геометрических параметрах детали. Например, в химическом и нефтяном машиностроении при производстве обечаек, необходима информация о форме поперечного сечения, по которой определяются управляющие воздействия - радиусы ги-ба по контуру детали.

При анализе схем измерения детален цилиндрической формы был использован спектральный метод, основанный на разложении функции профиля детали в ряд Фурье в полярных координатах

ю

г(ф) = Ro + ]Г Я* cos (к ■ ф + <рк), (1)

л = 2

где Ro - радиус средней окружности, определяемой как среднее значение функции г(ф ); Rie и ф к - амплитуда и фаза к-гармоникн в пространственных координатах, характеризующей погрешность формы.

При определении профлллотраммы детали с помощью оптико-электронного метода измеряемый участок контура детали f(x) имеет конечные размеры, определяемые шириной щелевой диафрагмыД . Необходимо отметить, что с уменьшением размеров диафрагмы уменьшается погрешность измерения длительности импульса, но в тоже время уменьшается отношение сигнал/шум в измерительном преобразователе, т.е. размеры щелевой диафрагмы должны быть оптимальны. Для исследования функциональной связи размеров диафрагмы на точность регистрации формы была определена передаточная функция щелевой диафрагмы

е^ - 1

W[p) = 2-i. (2)

р ■

Для проведения спектрального анализа была определена комплексно-частотная характеристика щелевой диафрагмы по передаточной функции путем замены переменной р на jcon преобразования выражения

в- 1 sin (соД / 2) -¡Ш2

Wglja) = -:- = А--(3)

д jco шД / 2

Анализ выражения (3) показьюает, что щелевая диафрагма обладает свойствами низкочастотного фильтра. Таким образом, с помощью соответствующего выбора размеров щелевой диафрагмы можно осуществлять фильтрацию измерительных сигналов.

Одной из проблем при определении геометрических параметров и метрологических характеристик крупногабаритных деталей является выбор количества точек измерения или анализа, поскольку с увеличением количества точек измерения повышается достоверность измеряемой информации, но в тоже время увеличивается и объем обрабатываемой информации, а следовательно и время ее обработки.

В радиотехнике и информатике частота дискретизации временных сигналов определяется с помощью теоремы отсчетов, которая носит название теоремы Котельникова или теоремы Шеннона.

Анализ теоретических доказательств теоремы Котельникова позволяет сделать вывод, что теорему Котелышкова можно использовать для определения минимальной частоты дискретизации профилограммы цилиндрической детали, представляющей собой сумму пространственных гармоник. Количество точек измерения по максимуму ограничено . особенностями технологии, так как поддается исправлению волнистость листового материала только определенной длины.

Таким образом, пространственная частота дискретизации профиля цилиндрической детали по минимуму ограничена теоремой Котельникова, а по максимуму - параметрами технологического оборудования. Исходя из этих положений было получено аналитическое выражение для определения оптимального количества точек измерения.

В работе были также проанализированы методы восстановления информации и выбрана нулевая интерполяция, реализуемая фиксатором нулевого порядка с передаточной функцией

ерГ - 1

К(р) = -, (4)

Р

где Т - период дискретизации.

Как следует из выражения (4) фиксатор нулевого порядка как и щелевая диафрагма обладает свойствами низкочастотного фильтра и поэтому также может быть использован при фильтрации измерительных сигналов.

Для анализа схем измерения был использован математический аппарат теории функции комплексного переменного, который позволяет свести основные геометрические операции с параметрами крупногабаритных деталей к алгебраическим, что позволяет использовать машинные методы расчета.

Основные геометрические операции, которые используются в оптических системах, могут быть выражены аналитически на комплексной плоскости:

1) поворот отрезка прямой (оптического луча) Л=Ае)а на угол ± ф может быть аналитически выражено следующим образом

Ае>Ф = Ае^йФ =АеКа ± Ф\ (5)

где е)Ф -оператор поворота;

2) операция увеличения длины отрезка (оптического луча) А в с1 раз аналитически может быть представлена в виде

Аё=Аёе'а; (6)

3) операция сложения двух отрезков А и В может быть аналитически выражена следующим образом

А ± В =<а|+ } аг)±(Ь1 + ^ Ъ2) -(¡ч ± ЪО + ) (а2 ± Ь); (7)

4) определение положения касательного оптического луча к контуру детали, выраженного на плоскости комплексного переменного с помощью параметрического уравнения иги)=и(1)+^(1), определяется производной от этого выражения тл-'^^и'ц). Если производная w'(t) существует в точке Со, то комплексный вектор ты'^о) направлен по касательной к кривой ■»14).

На основе основных геометрических операций на комплексной плоскости, выраженных аналитически, практически все плоскостные операции измерения геометрических параметров крупногабаритных изделий могут быть выражены алгебраически.

Определив зависимость выходной величины измерительной системы Р через параметры схемы измерения А, В, С, ... К. и измеряемую величину X в виде формулы Р=Р(А, В, С, ... К_, X), затем определяется погрешность результата измерения через частные производные и погрешности измерения и задания аргументов, входящих в формулу ДГ = (дГ / дА)АА + (дГ / д£)ДВ + / 5С)ДС+.. / дХ)АХ -КаАА + КвАВ + КсАС+. . .+КхАХ. (8)

Систематические погрешности измерений и заданий аргументов исключаются введением соответствующих поправок.

Реализация («исключенных систематических составляющих рассматривается как реализация случайной величины. Для вычисления границ полной погрешности результата измерения при отсутствии корреляционной зависимости между погрешностями измерения аргументов используется формула

SF = /"(КдДА)2 + (КВДВ)2 + (КсДС)2+.. .+(КхДХ)2,(9)

где Д i -доверительный интервал измерения или задания аргумента.

Все представленные выше операции довольно легко реализуются на компьютере, поскольку все операции формализованы и особенно операции определения коэффициентов Ki. С помощью предложенного метода были определены методические погрешности оптико-электронной системы измерения геометрических параметров обечаек. Результата вычислений полностью совпали с результатами, полученными с помощью аппарата аналитической геометрии.

Информация о форме детали необходима для управления технологическим процессом гибки деталей, поскольку алгоритм управления гибкой составляется на основе информации о первоначальной форме детали. Проблема регистрации формы обечаек заключается в том, что при бесцентровом вращении детали сложно зарегистрировать форму поперечного сечсиия, так как при регистрации формы изделия возникает методическая погрешность, вызванная перемещением центра обечай- • ки при ее вращении в валках машины, неравномерностью скорости ее вращения и тем что, оптико-электронный преобразователь эквивалентен плоскому качающемуся измерительному рычагу. Следовательно, для анализа этой погрешности и выбора оптимального варианта измерительной схемы, необходимо теоретическое определение профилло-траммы, регистрируемой измерительной системой.

Для определения функции преобразования схемы измерения профиль детали был представлен в виде комплексного радиуса-вектора на комплексной плоскости

«г

г(ф) = т(<р)еп = Яде1* + 2 cos (*q> + Ф*)-00)

*= 2

Для определения направления касательной к профилю детали на комплексной плоскости была определена производная от выражения (Ю)

Г'(Ф) = +

(11)

V яке^"/2){соs +■ ф*) + jк sin Утер + q>k) \ к' 2

Для определения направления касательной было определено значение аргумента комплексной функции г'(ф)

cos (р + т\1 + к2 sin (ф + а) (3 = arctg = ---—- —--- , (12)

- sin q> + mxl + к2 cos (ф + а)

где т = Ry /

а = arctg{k ■ tg{ktp + срк)).

Для определения функции угла, регистрируемого измерительным преобразователем, от координаты профиля составляются уравнения, в которых координата точки расположения измерительного преобразователя выражается через координату задаваемого текущего радиуса-вектора, а затем определяется координата касания профиля детали лучом нзмер1ггельиого преобразователя. Поскольку общей формулы для аналитического нахождения корней алгебраических уравнений выше четвертой степени не существует, то уравнения высоких степеней решаются численным методом. При решении задачи численным методом последовательно задаются координаты профиля детали, по которым вычисляются координаты положения измерительного преобразователя, а затем для каждой координаты измерительного преобразователя с некоторым шагом осуществляется перебор координат противоположного участка профиля и выбор точки касания лучом измерительного преобразователя. Затем по результатам вычислений строится профиллограм-ма, анализ которой позволяет выбрать оптимальную схему измерения, обеспечивающую минимальные искажения формы детали при ее регистрации. С помощью разработанного метода были проанализированы схемы измерения профиля обечаек и выбраны параметры схемы, обеспечивающий минимальную методическую погрешность измерения.

В третьей главе рассмотрены обзор и анализ существующих методов цифрового моделирования и разработанный операторно-дискретный метод анализа электрических цепей, позволяющий осуществлять цифровое моделирование элементов и устройств систем непосредственно по принципиальным схемам и схемам замещения.

Основными и наиболее часто используемыми в системах автоматического управления методами цифрового моделирования, использующими 2-преобразование. являются методы введение устройства выборки и хранения в непрерывную автоматическую систему: численного интегрирования в операторно-дискретной форме; аппроксимации с помощью г-форм.

Основой для использования первого метода является структурная схема системы автоматического управления, поэтому моделирование электрических цепей возможно с помощью второго и третьего методов, которые рассмотрены в работе более подробно. Особый интерес представляет метод г-форм, который позволяет непосредственно непрерывную передаточную функцию преобразовывать в эквивалентную дискретную. Передаточная функция определяется некоторым дифференциальным уравнением, для дискретизации которого используется аппроксимация первых производных конечными разностями (метод Эйлера) прямой и обратной. В области изображений это эквивалентно замене переменной р на (г-1 )/Г или (г-1 |/(гТ). Разностная аппроксимация соответствует разложениям в ряды:

г = ерТ ~ 1 + рГ (прямая разность 11ли метод Эйлера), (13) 2 = ерт я 1 / (I - рГ) (обратная разность). (14)

Аппроксимация, аналогичная методу трапеций в численном интегрировании, задается уравнением

2 = ерт « —- (метод трапеций). (15)

1 - рТ / 2

Метод трапеций в цифровом моделировании часто называют аппроксимацией Тустепа или билинейным преобразованием.

Известны также более сложные методы аппроксимации, а именно методы Рагаззинн-Бергена-Мадведа-Траксела и Боксера-Талера, дающие более точные по сравнению с методом Тустена результаты, а также метод Крюкшэнка, который отличается от других методов учетом начального значения оригинала, причем при аппроксимации по методу трапеций. В тоже время система уравнений состояния электрической цепи содержит функции источников электрической энергии, операции дифференцирования и интегрирования, также начальные уело-' вия, определяемые по законам коммутации.

В источниках, описывающих методы цифрового моделирования, практически отсутствуют рекомендации по применению г-преобразования и ь частности г-форм, а если имеются, то общего характера. Кроме того, в известных методах цифрового моделирования г-изображения электрических переменных определяются по математическим моделям устройств и систем и в тоже время неизвестны методы определения г-изображения электрических переменных непосредственно по электрическим схемам и схемам замещения с помощью законов Ома и Кирхгофа.

В результате проведенного в третьей главе анализа сделан вывод что, для цифрового моделирования электрических цепей необходимо определить г-изображение уравнения состояния двухполюсника, содержащего все основные элементы электрических цепей. Затем по уравнению состояния электрической цепи в операторно-дискретной форме необходимо построить схему замещения и определить ее параметры. Для составления программы расчета значений оригинала искомой величины может быть использован алгоритм разложения дробной рациональной функции в ряд Лорака, основанный на правилах деления полинома числителя на полином знаменателя или перехода к разностному уравнению.

С целью использования операторно-днекреткого метода дДя анализа электрических цепей определены выражения основных законов электрических цепей в операторно-дискретной форме. На рис. 1. изображена ветвь элеюрической цепи, содержащая к Ь С - элементы и источник э. д. с. - е(1). Замыкание ключа К в схеме приводит к переходно-

му процессу в электрической цепи. До коммутации ток в цепи равен 1=1(0), а напряжение на конденсаторе -ис=ис(0). Ток в ветви, который является реакцией на некоторое возмущающее воздействие, обозначим через ¡(1). Напряжение между узлами а и Ь определяется выражением:

и<й = Ш + I — + цс(О) +■ Г - £>«:)• (16)

П г

С е(1) .

■1НЭ

ко

к

и«ьО)

Рис. 1. Схема участка электрической цепи с последовательным соединением элементов

Определив 2-преобразования от обеих частей уравнения (16) получим выражение закона в операторно-дискретной форме

^(г) ад

Г(2)= „ 1-1 2 "Л-' (1?>

Я + Ь- + -

Т (2 - 1)С

Введя обозначен!« членов в выражении (17) представим закон Ома в более компактном виде

Г« = / (18)

2(2)

> ,, гТ ше 2(г) ~ К + Ь- + - -операторно-дискретное сопро-

Т (г — 1 )С

тивягние ветви;

Ем(2) = ^2.1(0) _ «изображение внутренних источников ЭДС,

Т 2 — 1

введение которых обусловлено запасом энергии в реактивных элементах цепи. В соответствии с формулой (17) на рис. 2. изображена схема замещения участка цепи.

В этом разделе главы определены также выражения законов Кирхгофа в операторно-дискретной форме. Затем приведен пример использования операторно-дискретного метода для задачи расчета переходных процессов в электрической цепи второго порядка.

Т • - — ^ ^ од

к

Ш>(г)

Рис. 2. Схема замещения участка электрической цепи с последовательным соединением элементов

Для проведения сравнительного анализа и разработки методики . применения операторно-дискретното метода эта задача была также решена другими методами, в том числе л аналитическим. Из проведенного анализа следует, что известные методы даже в комбинации с предложенным не могут быть применены для расчета и анализа электрических и электронных цепей. В тоже время предложенный операторно-дискретный метод может применятся при расчете и анализе электрических и электронных цепей при различных воздействиях и начальных условиях.

Затем были проведены теоретические и экспериментальные исследования погрешностей и устойчивости решения операторно-дискретного метода на примере задачи расчета переходных процессов в электрической цепи. Для теоретического анализа погрешностей и устойчивости цифровой модели электрической цепи бьиа использована диаграмма состояния, которая представляет собой переходный сигнальный граф. В случае непрерывных систем диаграмма состояния имеет сходство со структурной схемой аналоговой вычислительной машины, а в случае цифровых систем диаграмма состояния описывает операции, выполняемые цифровой вычислительной машиной.

Импульсная передаточная функция электрической цепи представлена в виде передаточной функции цифрового фильтра. При описании цифровых фильтров «опальными графами выделяются три источника погрешностей: квантование сигнала, квантование коэффициентов фильтра и округление результатов арифметических операций. Одной из основных погрешностей цифрового фильтра является погрешность округления, поскольку происходит накопление погрешностей при каждом такте работы фильтра. Существуют два способа выполнения этой операции: усечение или округление.

При использовании в ЭВМ способа усечения погрешность округления имеет одинаковый знак, а математическое ожидание равно половине младшего разряда. В теоретических выводах этого способа рас-

смотрен случай, когда погрешность округления имеет постоянное значение, равное среднему значению, т.е. математическому ожиданию. Из теории автоматического управления со случайным» сигналами известно, что величина математического ожидания на выходе фильтра не .зависит от его частотных свойств. Процесс образования погрешности был представлен в виде структурной схемы, в которой входным воздействием является изображение математического ожидания погрешности округления Л е. В предложенной схеме учитывается не только накопление погрешности округления при сложении, но и появление дополнительных погрешностей округления в каждом такте, т.е. предложенная структурная схема, в отличии от известных, наиболее полно отражает процесс образования полной погрешности. Используя правило Мезона и теорему о конечном значении с помощью структурной схемы можно определить значение погрешности численного метода

Дя = Дг lira(l - z'1) —— Щг), (19) z-»l 2 — 1 '

где W(z) - передаточная функция структурной схемы образования погрешности.

Поскольку добавляемый подграф не содержит петель, то петли исходного графа, а следовательно, н полюса в результате преобразования остались без изменения. Следовательно, закон изменения погрешности численного метода имеет такой же характер, как и искомая функция.

Таким образом из вышеизложенного следует, что устойчивость численного метода не зависит от погрешности округления.

При округлении вторым способом погрешность может рассматриваться как шум с нулевым средним значением и дисперсией. Дисперсия погрешности на выходе фильтра определяется с помощью формулы Винера-Хинчина

= ^ (20)

В результате математических преобразований получена формула для величины дисперсии на выходе цифрового фильтра, реализующего процесс образования погрешностей

cl = ai ИттМг'1), (21)

г-»«

где W(z') - комплексно-сопряженная передаточная функция.

Используя выражение передаточной функции для спектральной плотности и формально считая входной сигнал детерминированным была построена блок-схема образования погрешности окруптения и получено выражение для определения величины погрешности, из кото-

poro следует, что устойчивость численного метода не зависит от погрешности округления.

Результаты теоретических выводов подтвердились экспериментальными исследованиями операторно-дискретного метода при расчете переходных процессов в электрической цепи (рис. 3.). Кроме того, теоретические выводы были многократно подтверждены результатами расчетов с использованием операторно-дискретного метода курсовых работ и семестровых заданий по дисциплинам "Основы теории электрических цепей", "ТОЭ", "Основы микроэлектроники", "Основы теории управления" и "ЭВМ в системах управления" студентами разных специальной ВолГГУ. Этот метод позволил снизить трудоемкость расчета динамических характеристик (переходных и весовых функций) устройств и систем, описываемых дифференциальными уравнениями.

«(О*,- мА 5

4

>

2 \ Т=10^,к=Ю

1 0 \ Г\ уТ=10"7,к=10 20 30

t,uc

1 2 üi(t)-k, \ /\>т=о, ю-1 \j 1=10-* Т=10'5,к=Ю Т=Ю"7,к=103

иА

Рис. 3. Графики функции тока в электрической цепи и погрешностей численного метода при различных периодах дискретизации

В четвертой главе рассмотрена методология проектирования оп-тико-элекгронных измерительных преобразователей. Одной из наиболее важных задач создания новых устройств и систем является разработка методологии их проектирования и теоретического аппарата син-

теза, поскольку решение этих задач создает теоретическую базу для создания систем автоматизированного проектирования.

Разработка теоретического аппарата синтеза технических систем является наиболее сложной и актуальной задачей и только в некоторых областях техники существует достаточно развитый аппарат синтеза, например, в теории электрических цепей - синтез КХС-цепей, в теории управления - синтез логических схем н систем автоматического регулирования, в теории машин и механизмов - синтез кулачковых и других простейших механизмов и т. д. Таким образом, разработаны теоретические основы синтеза систем из элементов, обладающих малым количеством параметров. Создание теоретического аппарата для синтеза систем и устройств из элементов, характеризующихся большим количеством параметров, довольно сложная задача и практически невыполнимая, так как при комбинации элементов получается очень большое количество вариантов систем и устройств.

Проектирование оптико-электронных систем осуществляется с помощью человеко-машинных систем - автоматизированных систем проектирования, которые в основном реализуют параметрический синтез, т.е. по заранее выбранному принципу действия и структуры системы или устройства с помощью автоматизированной системы выбираются только параметры элементов проектируемой системы.

В измерительной технике в настоящее время существует большое количество разработанных компьютерных систем проектирования измерительных преобразователей - датчиков, с использованием банка физических законов и эффектов, однако в основном все проектируемые преобразователи имеют последовательную структуру, т.е. последовательное соединение элементов. В этих системах используется морфологический метод, основанный на комбинаторике. В тоже время в измерительной технике преобразователи в большинстве случаев имеют сложную структуру, поскольку обеспечить необходимую точность и быстродействие измерения и надежность работы часто удается только с помощью структурных методов. Очевидно, что проектирование новых измерительных преобразователен должно использовать обобщенные структуры, которые реализуют определенный метод измерения. Поэтому анализ и обобщение результатов научных исследований и технических разработок в области измерительной техники и составление обобщенных структурных схем является актуальной задачей. Таким образом, основой методологии проектирования должны быть обобщенные структурные схемы и морфологический метод.

Одной из основных операций в оптико-электронных приборах является отношение сигналов, которая используется при измерении температуры спектральным методом, при измерении размеров нагретых изделий, а также для уменьшения мультипликативной составляю-

шей погрешности при введении в устройство эталонного источника излучения.

По принципу измерения отношения двух потоков пирометры разделяются на двухканальные и одноканальные. Наиболее перспективен одноканальный метод, позволяющий резко снизить погрешности измерения, так как коэффициент передачи является общим для двух сигналов, т.е. исключается влияние изменения коэффициентов преобразования и усиления на точность измерения.

Электронные устройства, позволяющие измерять отношение двух потоков при преобразовании их в трапецидальные импульсы, разделяются на четыре группы: устройства с логометрами, представляющими собой электродинамические измерительные приборы; устройства со стабилизаторами; устройства с логарифмирующими элементами; устройства со следящей системой.

Для математической обработки время-импульсных сигналов наиболее целесообразно применение устройства со стабилизаторами, поскольку это устройство довольно легко позволяет реализовать одноканальный метод измерения отношений. В устройствах со стабилизаторами коэффициент усиления усилителя фототока изменяется таким образом. чтобы максимальное значение одного из импульсов поддерживалось постоянным, а измерение отношения заменялось измерением максимального значения другого импульса, т.е. если известно, что иЛ'!=К, то при и^сотш К= сЬ'г.

Обобщенная структурная схема оптико-электронного измерительного преобразователя (рис. 4.) содержит объектив I, в плоскости изображения которого установлен оптический коммутатор 2, который в зависимости от выполняемых функций может быть модулятором потока излучения или сканирующим устройством. Сканатор предназначен для преобразования пространственного распределения яркости излучаемого объекта во временной сигнал, а модулятор предназначен для коммутации потока излучения через светофильтры с различными полосами пропускания или потоков излучения от контролируемой детали и эталонного источника. Причем сканатор может выполнять функции модулятора. Оптический коммутатор управляется с помощью электромеханического привода 3. За оптическим коммутатором 2 установлен фотопрнемник 4. Электромеханический привод 3 управляется генератором тактовьк импульсов 5, к которому подключено также управляющее устройство 6.. К усилителю фототока 7. соединенному с фотоприемником 4, подключены коммутатор 8. а к выходам коммутатора подключен набор фильтров низкой частоты 9-12, на выходе которых присутствуют постоянные сигналы, определяемые яркостью соответствующих участков зоны сканирования или модулируемых потоков излучения. С помощью фильтра 12 и блока АРУ 13 осуществляется ста-

билизация одного из сигналов и тем самым осуществляется выполнение операции деления. Сигналы с остальных фильтров поступают на вы-чисшгтельное устройство 14, хотсрое по результатам измерений вычисляет комплексный параметр. Кроме того, сигналы с других фильтров могут быть использованы для стабилизации параметров преобразователя.

Рнс. 4. Обобщенная схема оптико-электронного сканирующего измерительного преобразователя

В результате использования обобщенной схемы был разработан адаптивный оптико-электроиный сканирующий преобразователь положения кромки нагретого изделия, позволяющий в течении работы изменять свои параметры таким образом, чтобы погрешность измерения была минимальна. Этот преобразователь содержит блок автоматической коррекции величины температурной деформации детали при ее остывании. Разработано несколько технических решений этого блока, причем целью последующих технических решений относительно базового варианта было совмещение функций элементов блока. Фувдамен-тальными основами работы преобразователя с блоком являются законы излучения нагретых тел (Планка, Вина, Стефана-Больцмана, Ламберта). Разработаны также устройства автоматической коррекции отношения сигнал/шум, позволяющие автоматически устанавливать размер щелевой диафрагмы таким образом, чтобы отношение сигнал/шум не превышало заданного значения, и адаптивный усилитель оптических сигналов с время-импульсной модуляцией, позволяющий поддерживать

амплитуду импульса на выходе постоянной, а нулевой ток минимальным.

Был также разработан помехоустойчивый измерительный преобразователь. в котором длительность импульса определяется аппаратно с помощью разложения сигнала в ряд Фурье.

С помощью обобщенной схемы были разработаны измерительные преобразователи температуры изделий, величины крутящего момента и износа деталей с передачей информации с вращающихся деталей, которые необходимы для контроля режимов технологического процесса.

Для проектирования оптико-электронных измерительных преобразователей была использована обобщенная схема, реализующая метод двухтактного интегрирования (рис. 5.). Обобщенная структурная схема оптико-электронного измерительного преобразователя содержит объектив 1, в плоскости изображения которого установлен оптический коммутатор 2, который предназначен для коммутации потока излучения через светофильтры с различными полосами пропускания или потоков излучения от контролируемой детали и эталонного источника. Оптический коммутатор управляется с помощью электромеханического привода 3. За оптическим коммутатором 2 установлен фотоприемник 4. Электромеханический привод 3 управляется генератором тактовых импульсов 5, подключенным через делитель частоты 6.

К усилителю фототока 7. соединенному с фотоприемником 4, подключены чероз первый коммутатор 8 фильтры низкой частоты 9 и 10, а к выхода фильтра 10 подключен инвертор 11, поскольку подаваемые на интегратор напряжения должны иметь противоположные знаки.

Рис. 5. Обобщенная схема оптико-электронного измерительного преобразователя с двухтактным интегрированием

Выходы фильтра 9 н инвертора 11 подключены через второй коммутатор 12 к шггегратсру 13. Управляющие входы коммутаторов 8 н 12 соеденены с выходом делителя частоты 6. К выходу интегратора 13 подключен компаратор 14 с нулевым порогом срабатывания, выход которого соединен с одним из входов трютгра 15, второй вход которого соединен с выходом делителя частоты 6. Триггер определяет длительность импульса, пропорциональную измеряемому отношению. Выход триггера в свою очередь подключен к управляющему входу ключа 16, соединяющего генератор тактовых импульсов 5 с счетчиком импульсов 17.

С помощью обобщенной схемы были разработаны оптико-электронные пирометры, преобразователи положения кромки детали и измерители влажности материалов.

В пятой гдавг рассмотрены устройства, обеспечивающие измерение геометрических параметров изделий и обработки измерительной информации.

При определении размеров крупногабаритных изделий оптико-электронными измерительными системами контролируются только участки изделий н поэтому необходимы устройства установки и базирования измерительных преобразователей. Для проектирования устройств базирования измерительных преобразователей при це1провом вращении деталей был использован эвристический прием, основанный на принципе подобия геометрических фигур, который позволил разработать устройство установки измерительных преобразователей с равномерной шкалой. При производстве цилиндрических деталей на валковых листогибочных машинах центр детали меняет свое положение, которое определяется кривизной участка в зоне валков, поэтому для определения профиллограммы поперечного сечения детали измерительный преобразователь необходимо устанавливать с торцевой стороны на центральной оси. Поэтому была рззработана оптико-электронная следящая система поиска цетра профиля детали. Для автоматического поиска центра изделия было разработано несколько вариантов двух-коордннатных автоматических оптико-электронных систем поиска центра детали.

В разработанных автоматических системах также используется сканирующий метод измерения, который при радиальном сканировании контура детали измеряет положение касательной к контуру проекции обечайки. Результат измерения положения касательной представлен в время-импульсной форме. Этот метод позволяет исключить влияние различных амшппудных факторов на точность измерения. По положению четырех касательных к контуру обечайкн определяется центр изделия, представляющий собой центр прямоугольника, в который

вписывается контур детали. Так как в большинстве случаев обечайка имеет форму эллипса , то ее цешр совпадает с центром прямоугольника.

В процессе измерения профиля детали измерительный преобразователь "привязан" к изделию, что позволяет исключить отрицательное влияние на точность измерения погрешностей базирования, основной составляющей которых является Температурная деформация направляющих. Автоматическая коррекция составляющей погрешности от температурной деформации направляющих является довольно сложной теоретической и практической задачей. Поэтому в оптико-электронной измерительной системе использован принцип адаптации, позволяющий повысить точность измерения геометрических параметров обечаек.

Кроме того, в разработанных системах перемещения измерительной головки по одной координате не влияют на работу по другой, поскольку перемещения проекции контура между касательными не изменяют расстояния от касательных до центра проекции контура. Поэтому разработанные двухкоординатные системы по сравнению с существующими не имеют перекрестных связей, что улучшает их динамические свойства и упрощает их анализ и расчет.

Одним из преимуществ сканирующих устройств, как указывалось выше, является время-импульсный выходной сигнал, который может быть непосредственно использован для управления тиристорным электроприводом автоматической системы, который тоже использует вре-мя-нмпульсное управление. Основные разработанные базовые технические решения системы автоматического базирования имеют преобразователи с время-импульсным выходным сигналом. Разработаны также устройства для измерения профиля детали с неподвижной установкой измерительных преобразователен и спектральным анализом измерительной информации.

Одним из наиболее важных и ответственных устройств ОЭС является устройство сопряжения оптико-электронных измерительных преобразователей (датчиков) . На выходе таких измерительных преобразователей образуется время-импульсный сигнал, который довольно легко может быть преобразован в цифровой код. Разработаны устройства сопряжения измерительного преобразователя с компьютером, содержащее логическую схему, генератор тактовых импульсов и счетчик импульсов, преобразует время-импульсный сигнал в двоичный код. Однако часть функций этого устройства может выполнять компьютер и поэтому был предложен новый способ организации интерфейса сопряжения с компьютером IBM PC, который использует последовательный канал связи. Этот способ существенно повышает надежность системы за счет увеличения помехоустойчивости, поскольку через стандартный последовательный порт непосредственно передается информационный время-импульсный сигнал. Цифровое измерение длитель-

ности импульса производится с помощью таймера. Такому способу преобразования время-импульсного сигнала в цифровой код присущи следующие достоинства: максимальное использование аппаратных возможностей компьютера, являющегося центральным звеном измерительной системы; минимум аппаратных затрат на проектируемое устройство сопряжения, поскольку отпадает необходимость в использовании внешнего генератора тактовой частоты и счетчика импульсов; многократное повышение точности измерения, так как в памяти компьютера можно хранить практически неограниченное число разрядов двоичного представления результата измерения (оно ограничивается только предельной частотой системного таймера).

В шестой главе приведены методика инженерного расчета основных параметров и погрешностей системы.

Предварительно определены передаточные функции основных элементов оптико-электронных измерительных преобразователей.

Для определения инструментальной погрешности оптико-электронного измерительного преобразователя необходима величина крутизны импульса на выходе усилтгеля фототока, для вычисления которой необходимо рассчитать форму сигнала. Источниками искажения информационного сигнала в фотоэлектрическом тракте являются инерционности фотоприемника и усилителя фототока. Для уменьшения искажений импульсов фототока, к усилителю фототока подключают корректирующую цепь (рис. б.). Для определения формы сигнала на выходе усилителя фототока с помощью операгорно-днекретного метода использована схема замещения фотоэлектрического тракта на основе схем замещения фотоприемника и операционного усилителя.

Используя операторно-дискретный метод выразим напряжение на выходе операционного усилителя при нулевых начальных условиях через напряжение на входе схемы замещения

[Гвпх(г) = и^т

- + — + -

£ - 1 )Ь

1 1 т

(2 - УРК +

гТ. ] (22)

1 1

(2 ~ 1)СК (2 ~

г Т } 27

*

«н

■к

i(0)zLpbn

T _¿¡L

(z-I)CK

Рис. 6. Схема фотоэлектрического тракта (а) и схема его замещения (б)

Подставляя значения параметров схемы замещения и периода дискретизации в уравнение (6.1) получим

9,95231г2 - 19,78524г + 9,83312

1,984 4 4 4z + 0,9849012 - 0,000397

.(23)

Используя метод разностных уравнений

(24)

yin] = Т] аЛх[л - 1-] - 2 Ьку[л

к=1

определим реакции фотоэлектрического тракта на прямоугольный импульс.

На рис. 7. представлены реакции фотоэлектрического тракта на прямоугольный импульс без коррекции'(1) и с коррекцией (2).

Основными составляющими погрешности измерения диаметра детали являются погрешность установки номинального размера и погрешность измерения отклонения от этого размера.

Погрешность измерительного преобразователя содержит две основные составляющие: погрешность измерения длительности импухгь-са и погрешность квантования измеряемого импульса. 11шх

2

«ет

Рис. 7. Формы сигналов на выходе усилителя фототока

По форме импульса определяется средняя квадратичная погрешность измерения длительности импульса

Н-ФР

(25)

где Кфр - крутизна фронта импульса на уровне срабатывания формирователя, которая определяется из тактовых значений импульса;

иш - среднее квадратичное значение напряжения шумов на входе формирователя импульсов.

Погрешность (25), приведенная к линейной измеряемой величине, вычисляется по следующей зависимости

"к = / Я<я. (26)

где о« - скорость сканирования; Коп - коэффициент передачи объектива.

Средняя квадратичная погрешность квантования от, определяемая периодом генератора тактовых импульсов, приводится к линейной величине с помощью выражения

Стру, = <5МСК / К03. (27)

Суммарная средняя квадратичная погрешность измерения оптико-электронного преобразователя вычисляется по формуле

(28)

= •М-с + стрт •

В этой главе также рассмотрена методика расчета системы автоматического базирования измерительных преобразователей с использованием 2-преобразованнй.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. ПроЕедсн анализ существующих методов н средств измерения геометрических параметров крупногабаритных изделий, который привел к выводу, что принципиальной основой построения структуры ОЭС должен быть оптико-электронный метод, а сама ОЭС должна содержать ЭВМ и систему адаптации.

2. На основе теории функции комплексного переменного разработан математический метод анализа схем измерения, позволяющий определять методические погрешности измерения и выбирать параметры схем измерения с минимальными методическими погрешностями.

3. Получены математически выражения для выбора оптимального обьема измеряемой информации и параметров сканирующих устройств, при соответствующем выборе которых эти устройства осуществляют дополнительную функцию - фильтрацию измерительных сигналов.

4. Проведен анализ существующих методов цифрового моделирования аналоговых устройств и разработан метод цифрового моделирования электронных блоков ОЭС с помощью электрических схем и схем замещения, позволяющий проводить анализ гибридных систем автоматического управления на едином математическом языке, а так же формализовать процесс перехода от аналоговых устройств систем к цифровым.

5. Разработана методика оценки погрешностей цифровых моделей аналоговых электронных устройств и рекуррентных программ цифровых управляющих систем.

6. Предложена методология проектирования измерительных преобразователей с помощью обобщенных структурных схемы, с помощью которых были получены новые технические решения, подтвержденные авторскими свидетельствами и патентами.

7. Разработаны системы адаптации и сопряжения с ЭВМ оптико-электронных измерительных преобразователей, позволяющие значительно расширить область использования и повысить надежность их работы.

8. Разработаны системы автоматического базирования измерительных преобразователей с улучшенными динамическими характеристиками, позволяющие автоматизировать процесс измерения и повысить точность измерения геометрических параметров крупногабаритных деталей.

9. Разработаны методики инженерного расчета основных параметров оптико-электронных систем и погрешностей измерения, позволяющие создавать измерительные системы с минимальной погрешностью и максимальной надежностью.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

1. Качоровский А.Б., Лебас Э.П., Мерзлнкнн A.B., Шилнн А.Н. Оптико-электронная система контроля размеров поперечного сечения обечаек в процессе правки // Химическое и нефтяное машиностроение. -1975.-№3,-С. 38-39.

2. Рабинович А.Н., Шилнн А.Н., Лебас Э.П. Аналитическое определение некоторых параметров фотоэлектрической системы контроля обечаек //Химическое и нефтяное машиностроение. - 1976. - №10. - С. 32-33.

3. Шилнн А.Н., Муха Ю.П. Оптико-электронный преобразователь размера с компенсацией температурной деформации // Известия ВУЗов. Приборостроение. - 1987. - Мв7. - С. 73-73.

4. Шилнн А.Н. Оптико-электронная следящая система поиска центра полон цилиндрической детали // Известия ВУЗов. Приборостроение. - 1989. - №4. - С. 80-84.

5. Шилин А.Н. Исследование методических погрешностей оптико-электронных информационно-измерительных систем управления производством обечаек//Измерительная техника. - 1989. -№10. - С. 8-10.

6. Шилин А.Н., Бобков П.П., Леонтьев Г.А. Оптико-электронный измерительный преобразователь размеров нагретых деталей // Микроэлектронные датчики в машиностроении: Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. - Ульяновск, 1990. - С. 89.

7. Шилин А.Н., Лютиков Д.В. Оптоэлектронный импульсный преобразователь утла поворота // Механизация и автоматизация производства. - 1991.-№4.-С. 7-10.

8. Шилин А.Н., Булатов.Ю.П., Бобков П.П., Лукин Г.В. Оптико-электронная информационно-измерительная система управления производством обечаек //Химическое и нефтяное машиностроение. - 1992. -№ 11. - С. 28-30.

9. Шилин А.Н., Леонтьев ГА., Бобков П.П. Оптико-электронный датчик размеров нагретых деталей /,' Приборы и системы управления. -

1993.-,№3.-С. 26-28.

10. Шилнн А.Н., Леонтьев ГА. Сопряжение оптоэлекгронного датчика размеров с компьютером // Приборы и системы управления. -

1994,-№6.-С. 34-36.

11. Шилин А.Н. Опсраторно-днскретный метод анализа электрических цепей: Учеб. пособие / Волгоград: ВолгГТУ, 1994. - 64 с.

■ 12. Шилин А.Н., Бобков П.П. Оптическое устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвузовский сборник. - Волгоград: ВолгГТУ, 1994. - С. 164-168.

13. Шилнн А.Н., Лютиков Д.В. Усилитель оптических сигналов с шнропю-импульсной модуляцией // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвузовский сборник. - Волгоград: ВолгГТУ. 1994.-С. 168-172.

14. Сухорухов A.M., Шилин А.Н. Измерение н контроль износа фрикционных накладок II Тракторы и сельскохозяйственные машины. -1997. - №4. - С. 30-31.

15. Шилин А.Н., Калмыкова С.Р. Передача измерительной информации с вращающихся изделий // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1997. - №6. - С. 28-29.

16. Шилин А. Н. Измерительные преобразователи крутящего момента // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 1997. - №7. - С. 24-25.

17. Шилин А.Н.. Морозов И.О., Федяев Д.В. Сопряжение дагчика с время-импульсным выходным сигналом с компьютером // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвузовский сборник. Часть 1. - Волгоград: ВолгГТУ, 1997. - С. 131-135.

18. Шилин А.Н.. Бобков П.П. Оптико-электронное устройство для определения геометрических параметров крупногабаритных детален /7 Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвузовский сборник. Часть 1. - Волгоград: ВолгГТУ, 1997. - С. 135139 . "

19. A.C. №1130740 СССР, МКИ G0IB 21/06. Фотоэлектрическое устройство для измерения размеров .нагретых изделий / А.Н .Шилин, Ю.П.Муха - №3592423/18-28. Заявл. 10.05.83. Опубл. 23.12.84, Бюл. №47. - 4с.

20. A.C. №1232945 СССР. МКИ G01B 21/10. Фотоэлектрическое устройство для контроля внутреннего диаметра обечаек / А.Н.Шилин, Ю.П.Муха - №3765047/24-28. Заявл. 19.07.84. Опубл. 23.05.86, Бюл. №19.-4с.

21. A.C. №1288505 СССР, МКИ G01B 21/06. Фотоэлектрическое устройство для измерения размеров нагретых изделии / А.Н.Шилин -№3918975/24-28, Заявл. 28.06.85. Опубл. 07.02.87, Бюл. №5. - Зс.

22. A.C. Xsl315796 СССР, МКИ G01B 9/02. Интерферометр для измерения углов поворота объекта / А.Н.Шилин, Я.Ш.Флейтман, Ю.П.Муха - №4014774/24-28, Заявл. 29.01.86. Опубл. 07.06.87, Бюл. №21.-2с.

23. A.C. №1355525 СССР. МКИ В60Т 17/22. Устройство для измерения и контроля износа фрикционных накладок / А.М.Сухоруков, А.Н.Шилин - №4054663/31-27, Заявл. 16.04.86. Опубл. 30.11.87, Бюл. №44. - 2с.

24. A.C. №1355526 СССР, МКИ В60Т 17/22. Устройство для измерения и контроля износа фрикционных накладок / А.М.Сухоруков,

a.H.IUiuihh - №4058777/31-27, Заяпл. 16.04.86. Опубл. 30.11.37, Бюл. №44. - Зс.

25. A.C. №1360340 СССР, МКИ G01B 11/12. Фотоэлектрическое устройство для контроля внутреннего диаметра обечаек I А.Н.Шнлнн -№4039872/40-22, Заявл. 20.03.86. Опубл. 1987. (ДСП). - 5с.

26. A.C. №1471070 СССР, МКИ G01B 21/06. Оптико-электронное устройство для измерения размеров нагретых изделий / А.Н.Шнлнн -№4278964/24-23, Заявл. 06.07.87. Опубл. 07.04.89, Бюл. №13. - Зс.

27. A.C. №1547488 СССР, МКИ G01B 21/00. Лазерное оптико-электронное устройство для измерения размеров обечаек / А.Н.Шнлнн -№4391176/24-28, Заявл. 10.03.88. Опубл. 1989. (ДСП). - 4с.

28. A.C. №1585675 СССР, МКИ G01B 21/00. Фотоэлектрическое устройство для измерения размеров нагретых изделий I А.Н.Шилин -№4278965/24-28, Заявл. 06.07.87. Опубл. 15.08.90, Бюл. №30. - 4с.

29. A.C. №1617305 СССР, МКИ G0IJ 1/44. Устройство рмулиро-вання экспозиции / А.Н.Шилин, А.П.Евдокимов - №4388909/31-25, Заявл. 10.03.88. Опубл. 30.12.90, Бюл. №48. - Зс.

30. A.C. №1620156 СССР, МКИ В06В 1/16. Пневматический вибровозбудитель / ВА.Грншин, В.А.Камаев, Н.А.Сальникова, А.Н.Шнлнн, А.О.Куликов - №4496599/23, Заявл. 18.10.88. Опубл. 15.01.91, Бюл. №2.- 2с.

31. A.C. №1698643 СССР, МКИ G01B 21/00. Оптико-электронное устройство для измерения размеров нагретых изделий / А.Н.Шилин -№4719305/28, Заявл. 17.07.89. Опубл. 15.12.91, Бюл. №¡46. - 4с.

32. A.C. №1698644 СССР, МКИ G01B 21/00. Оптико-электронное устройство для измерения диаметров нагретых крупногабаритных деталей / А.Н.Шилин,П.П.Бобков - №4720167/28, Заявл. 17.07.89. Опубл. 15.12.91, Бюл. №46.-6с.

33. A.C. №1 ?! 1002 СССР, МКИ G01B 21/00. Оптико-электронное устройство для измерения размеров нагретых изделий / А.Н.Шнлнн -№4753539/28, Заявл. 26.10.89. Опубл. 07.02.92, Бюл. №5. - 5с.

34. A.C. №1716324 СССР, МКИ G01B 21/00. Оптико-электронное помехоустойчивое измерительное устройство / А.Н.Шилин №4753486/28, Заявл. 26.10.89. Опубл. 29.02.92, Бюл. №3. - 5с.

35. Патент РФ № 1772626, МКИ G0IB 21/06. Оптико-электронное измерительное устройство / А.Н.Шилин, ГАЛеонтьев, П.П.Бобков -№4852279/28, Заявл. 18.07.90. Опубл. 30.10.92, Бюл. №40. - 4с.

36. Патент РФ №1786936, МКИ G0IB 21/00. Лазерное оптико-электронное устройство для измерения размеров обечаек / А.Н.Шнлнн, Д .В Лютиков - №4852287/28, Заявл. 18.07.90. Опубл. 1993. - 6с.

37. Патент РФ №1787839, МКИ В60Т 17/22, B61L 25/02. Устройство для измерения износа деталей / А.Н.Шилин, С.Р.Калмыхова -№4826815/11, Заявл. 17.05.90. Опубл. 15.01.93, Бюл. №2.-4с.

38. Патент РФ №1793280, МКИ GOl L 3/08. Измеритель крутящего момента / А.Н.Шилнн, А.ПЖелтоногов - №4925802/10, Заявл. 04.04.91. Опубл. 07.02.93, Бюл. №5. - Зс.

39. Патент РФ №1821642. МКИ G01B 21/00. Оптико-электронное устройство для измерения размеров нагретых изделий / А.Н.Шилин -№4852286/28, Заявл. 18.07.90. Опубл. 15.06.93, Бюл. №22. - Зс.

40. Патент РФ №1833328, МКИ В60Т 17/22. Устройство для измерения и контроля износа фрикционных накладок / А.Н.Шилин -.№4924138/11, Заявл. 04.04.91. Опубл. 07.08.93, Бюл. №29. - Зс.

41. Патент РФ №2016382. МКИ G0IB 21/00. Оптико-электронное измерительное устройство / А.Н.Шилнн - №4924784/28, Заявл. 03.04.91. Опубл. 15.07.94, Бюл. №13. - 4с.

42. Патент РФ №2017064, МКИ G01B 21/02. Оптико-электронное устройство для измерения размеров нагретых изделий / А.Н.Шилин -№4924702/28, Заявл. 03.04.91. Опубл. 30.07.94, Бюл. №14. - 4с.

43. Патент РФ №2044268. МКИ G01B 21/00. Оптико-электронное устройство для определения геометрических параметров крупногабаритных деталей / А.Н.Шилин, П.П.Бобков. Д.ВЛютиков №92011562/28, Заявл. 11.12.92. Опубл. 20.09.95, Бюл. №26. - 5с.

44. Патент РФ №2044269. МКИ G01B 21/02. Оптико-электронное устройство для измерения размеров обечаек / А.Н.Шилин. Д.ВЛютиков - №4924703/28, Заявл. 03.04.91. Опубл. 20.09.95, Бюл. №26. - 5с.

45. Патент РФ №2048031, МКИ G0IL 3/08. Цифровой измеритель крутящего момента / А.Н.Шилин - №94-000552/28, Заявл. 06.01.94. Опубл. 10.11.95, Бюл. №31. - Зс.

46. Патент РФ №2054624, МКИ G01B 21/00. Оптическое устройство для измерения диаметров крупногабаритных деталей / А.Н.Шилин, П.П.Бобков - №4924704/28. Заявл. 03.04.91. Опубл. 20.02.96. Бюл. №5. -5с.

47. Патент РФ №2054625, МКИ G01B 21/00 Оптико-электронное устройство для измерения размеров обечаек деталей / А.Н.Шилин -№4924785/28, Заявл. 03.04.91. Опубл. 20.02.96. Бюл. №5. - 6с.

48. Патент РФ №2063007, МКИ G01L 3/08. Измеритель крутящего момента / А.Н.Шилин - №92011355/28, Заявл. 11.12.92. Опубл. 27.06.96. Бюл. №18.-4с.

49. Патент РФ №2073200, МКИ G01B 21/00. Оптико-электронное измерительное устройство / А.Н.Шилин - №92011564/28, Заявл. 11.12.92. Опубл. 10.02.97, Бюл. №4. - 4с.

50. Патент РФ №2077706, МКИ G01J 5/28, 5/62. Цифровой пирометр спектрального отношения / А.Н.Шилнн - №94-000553/28, Заявл. 06.01.94. Опубл. 20.04.97, Бюл. №11.- 5с. ßvЛ