автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оптико-электронные системы позиционирования сборочных конструкций в авиастроении

На правах рукописи

_

Ильина Ольга Владимировна

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СБОРОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В АВИАСТРОЕНИИ

Специальность 05.11.07 -Оптические и оптнко-электропные приборы и комплексы

5 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КАЗАНЬ - 2013

005542498

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные и квантовые устройства» Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н.Туполева - КАИ»

Научный руководитель: Воронов Виктор Иванович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Павлычева Надежда Константиновна,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО « Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н.Туполева - КАИ», профессор кафедры «Оптико-электронные системы»

Голенищев-Кутузов Александр Вадимович-доктор физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», заведующий кафедрой «Промышленная электроника»

Ведущая организация: ЗАО «Технический центр КаПО»

(г.Казань)

Защита состоится 26 декабря 2013 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д212.079.06 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский государственный университет имени А.Н.Туполева - КАИ» по адресу: 420015, г. Казань, ул. Л.Толстого, 15 (учебный корпус №3, ауд. 216).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КНИТУ-КАИ.

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Министерства образования и науки РФ (www.mon.gov.ru') и на сайте КНИТУ-КАИ (www.kai.ru').

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим прислать по адресу: 420111, улица К.Маркса, 10, КНИТУ-КАИ , на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан 25 ноября 2013 года

Ученый секретарь __

диссертационного совета ^^ \___Бердников

Алексей Владимирович.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие самолетостроения выдвигает все более возрастающие требования к качеству изготовления их узлов и агрегатов, и, следовательно, к методам и средствам контроля их сборки.

Совершенствование технологической подготовки производства сборки современных самолетов требует совершенствования измерительных систем для пространственного позиционирования оснастки и отдельных сборочных конструкций самолета. Для этих целей применяется широкий арсенал измерительных систем как контактного так бесконтактного типов. Контактные методы позволяют получить высокую точность. Время, необходимое для проведения измерений при контактных методах меньше, чем при бесконтактных. Так как приборы проще устанавливать в нужное для измерений положение. При использовании контактных методов измерения приборы устанавливаются на измеряемом изделии. Большие габариты контролируемых объектов и высокие точностные требования к монтажу изделий привели к широкому развитию бесконтактных методов контроля. Основными приборами при изготовлении стапельной оснастки самолетов среднего и тяжелого класса стали бесконтактные оптические средства.

При применении бесконтактных методов измерения измерительные приборы устанавливаются на стенде или на специальных подставках, которые не соприкасаются с измеряемым изделием. Наиболее перспективными являются оптические и лазерные методы контроля. Они обладают рядом преимуществ. Эти методы позволяют выполнять контроль на значительных расстояниях с высокой точностью и малой инерцией. С помощью оптических и лазерных методов можно измерять линейные и угловые величины, управлять установкой агрегатов и узлов в процессе сборки самолетов и получать наиболее объективные результаты контроля.

Работа с оптическими приборами требует определенных знаний и навыков. Использование оптических методов контроля в производстве дает возможность более точно выполнять технологические требования в процессе сборочных работ и тем самым обеспечивает надежную работу агрегатов в процессе эксплуатации. С помощью разработанных в настоящее время оптических приборов можно измерять размеры, контролировать формы и взаимное расположение осей и поверхностей с большой точностью.

Создание оптических квантовых генераторов (лазеров) оказало стимулирующее влияние на разработку новых наиболее точных и производительных методов и средств контроля геометрических параметров изделий машиностроения.

Лазерные методы контроля по сравнению с обычными оптическими имеют существенные преимущества, главными из которых являются: высокая точность, дальность, производительность и объективность. В качестве лазерных систем точного позиционирования наиболее часто используются лазерные интерферометры, поляризационные устройства, устройства с ячейками Керра, устройства, основанные на фазовом преобразовании сигнала, и приборы,

использующие сканирование лазерного луча. Указанные устройства сложны в практической реализации.

Выбор схемы измерения необходимо начинать с проработки различных возможных вариантов этих схем с учетом технологических требований. При этом необходимо учесть выбор базы для установки оптического и лазерного прибора, возможность установки целевых знаков, отвесов и т. п., обеспечить наименьшие погрешности при измерениях, удобство в работе с оптическим и лазерным прибором при измерениях, минимальные затраты времени на контроль технологических операций. Однако , как следует из анализа существующих систем измерений применяемых на практике, не всегда достигаются предельные характеристики по измерению расстояния между объектами. В качестве примера можно привести тот факт, что при использовании интерференционных методов измерения расстояния погрешность измерителя порядка 1 мкм. В то же время погрешность измерений расстояния у реальных систем составляет величину более 0.1 мм. В этом случае для повышения точности привязки применяют репера. Поэтому является актуальной задачей поиск схемных решений .позволяющих повысить точность измерений. При выборе схемы измерений необходимо уделять особое внимание вопросам повышения точности измерений.

Для практического применения более пригодны системы с позиционно-чувствительными фотоприемниками и системы с пространственным сканированием лазерного луча. Однако, возможности указанных систем изучены недостаточно.

На основании выше изложенного можно сделать вывод, что является актуальным поиск методов повышения точности систем пространственного позиционирования крупногабаритных изделий при сборочных работах в авиационном машиностроении . задачи усовершенствования оптоэлектронных систем точного позиционирования

Объектом исследования является оптико-электронная измерительная аппаратура для точного позиционирования конструкций при сборке изделий авиационного машиностроения.

Предметом исследования является повышение точности лазерных систем позиционирования для авиационного машиностроения.

Целью диссертационной работы является улучшение метрологических и технико-экономических характеристик оптико-электронных систем точного позиционирования на базе исследование лазерных методов контроля и оценки их основных погрешностей, связанных с неточностью установки отдельных элементов системы.

Научная задача диссертации - разработка принципов построения, методов анализа и синтеза оптико-электронной измерительной аппаратуры точного позиционирования, основанных на особенностях применения пентапризмы с учетом взаимного положения элементов конструкции и лазерного излучения

Решение поставленной задачи научного исследования проводилось по следующим основным направлениям

1. Анализ оптических и лазерных систем точного позиционирования и методов измерения линейных и угловых величины в системах точного позиционирования.

2. Особенности прохождения лазерного излучения через пентапризму при различных углах падения на ее входное окно. Влияние угла падения лазерного излучения на входное окно пентапризмы на изменении точки пересечения входного и выходного лазерных лучей относительно базовой точки пересечения лучей в системах лазерного позиционирования.

3. Оценка погрешностей систем позиционирования с вынесенной за пределы контролируемого пространства измерительной системы, состоящей из направляющей системы, передвижного измерительного устройства (каретка с поворотной системой лазерного луча на прямой угол) и лазерной сисиемы задания оптических осей, обусловленных передвижением измерительного устройства с пентапризмой при различных отклонениях опорного лазерного луча относительно опорной оси напралящей системы. Поиск способы уменьшения погрешностей позиционирования и технических средств их реализации.

4. Оценка погрешностей существующих систем позиционирования с внутренним осесимметричных размещением лазерной измерительной системы и систем с пространственным сканированием лазерного луча на базе оптомеров при различных положениях лазерного излучения относительно элементов конструкций измерительной системы.

5. Разработка и внедрение технических средств для повышения точности системах лазерного позиционирования с пространственным сканированием луча применительно к мобильным системам позиционирования.

Методы исследования, достоверность и обоснованность. При

выполнении данной работы применялись методы теории оптико-электронных систем, моделирования, измерений и оценки погрешностей. Достоверность обеспечивается математической строгостью при получении аналитических решений и разработке алгоритмов численного моделирования, непротиворечивостью полученных результатов и выводов, их согласованием с существующими положениями общепринятой теории. Использованием математических моделей, адекватно отображающих прохождение лазерного излучения в пентапризме, которые хорошо согласуются в частных случаях с экспериментальными данными, полученными другими исследователями. Экспериментальным подтверждением результатов теоретических исследований и использованием полученных данных в практических разработках.

Научная новизна работы

1. Выявлены резервы для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик лазерных систем точного позиционирования применительно к задачам авиационного машиностроения.

2. Предложены структуры построения систем позиционирования с внешним и внутреннем размещением лазерной измерительной системы.

Показано, необходимость доработки передвижных систем измерения в существующих системах позиционирования.

3. Выявлены основные источники погрешности и разработаны методики их расчета при создании перспективных систем позиционировании и предложены методы и средства их устранения.

4. Разработаны методики построения по точностным критериям структурных схем функциональных блоков мобильной системы позиционирования.

Практическая значимость диссертационной работы определяется:

1. Результатами исследований неточности установки пентапризмы в поворотном узле и ее влияние на точность измерительного устройства оптико-электронного позиционирования.

2. Предложенной методикой повышения точности измерений в оптико-электронных системах позиционирования за счет введения элементов юстировки.

3. Разработкой структурной схемы и реализацией основных узлов мобильной системы позиционирования.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты работы по повышению точности измерений в системах лазерного позиционирования с пространственным сканированием луча различного назначения внедрены и использовались при выполнении хоздоговорных и бюджетных НИР в ОАО «Казанское авиационное производственное объединение им. С.П. Горбунова». Материалы диссертационной работы практически используются в учебном процессе кафедры Радиоэлектронных и квантовых устройств КНИТУ-КАИ при подготовке специалистов по специальности «Радиотехника», что подтверждено соответствующими актами.

Личный вклад. Материалы диссертации являются обобщением работ автора по данному направлению, выполненных в период с 2000 по 2013 г., и отражают его личный вклад в решаемую проблему, который состоял в постановке рассмотренных задач, разработке методов исследования, алгоритмов численного моделирования и интерпретации полученных результатов. На всех этапах работы автор являлся ответственным исполнителем НИР. В опубликованных работах с соавторами, включенных в диссертацию, автор принимал непосредственное участие в постановке задач, разработке методов исследования, теоретических моделей и методов анализа, разработке алгоритмов и математических имитационных моделей, в проведении теоретических расчетов и экспериментов, проводил анализ результатов и их обобщение

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на IX Межреспубликанском симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, 2002г.), 58-ой научной сессии,

посвященной Дню радио (Москва, 2003 г.), X Международном симпозиуме оптики атмосферы и океана (Томск, 2003 г.), XVI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутри-камерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2004 г.), XVIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутри-камерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2006г.), Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2006г.), VII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Самара, 2006г.), Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (Казань, 2007 г.), V Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2008 г.), IX международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», посвященной 100-летию со дня рождения академика В. А. Котельникова и 120-летию телефонной связи в Татарстане (Казань, 2008г.), XVIII Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов университета с приглашением ведущих ученых и специалистов родственных вузов и организаций (Самара, 2011 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 20 научных работ и том числе 2 статьи в рецензируемых журналах по списку ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Основная часть изложена на 126 страниц текста и содержит 46 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает в себя 88 наименований.

Диссертация соответствует паспорту специальности 05.11.07 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» по пункту 2. Разработка , совершенствование и исследование характеристик приборов, систем и комплексов с использованием электромагнитного излучения оптического диапазона волн, предназначенных для решения задач: измерения геометрических и физических величин, исследования и контроля параметров различных сред и объектов, в том числе при решении технологических, экологических и биологических задач.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методики и средства улучшения метрологических и технико-экономических характеристик оптико-электронных систем позиционирования

применительно к задачам авиационного машиностроения. Результаты теоретических исследований особенностей применения пентапризмы в системах лазерного позиционирования с позиционно-чувствительными фотоприемниками и с пространственным сканированием луча.

2. Основные свойства пентапризмыя и их влияние на точность позиционирования.

3. Методики повышения точности измерений в системах лазерного позиционирования с использованием юстировки.

4. Структурные схемы оптико-электронной системы позиционирования и ее основных узлов. Рекомендации по созданию мобильной системы точного позиционирования деталей и узлов при производстве авиационной техники.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и формулируется основная цель работы применительно к оптико-электронным системам точного позиционирования на базе полупроводниковых лазеров. Определены основные решаемые задачи исследований, приводятся основные положения, выносимые на защиту. Во введении приводится краткое описание материалов каждой главы.

В первой главе приведен обзор литературных источников по лазерным и оптическим методам и средствам контроля в самолетостроении.

Оптические и лазерные методы и средства измерений линейных и угловых величин, а также теоретические основы измерений в авиастроении подробно рассмотрены в работе Митрофанова A.A. (Митрофанов A.A. Контроль сборки летательных аппаратов. М. ¡Машиностроение, 1989, -208 с. ил.)

Приведены основные признаки классификации методов измерения, погрешностей возникающих при измерении линейных и угловых величин оптическими методами, а также рассмотрены особенности применения оптических способов измерения в самолетостроении.

При оптических измерениях, определяющей будет инструментальная погрешность измерения, а составляющими ее будут систематическая и случайная погрешности.

Особенности контроля сборочной оснастки, классификация монтажных средств, допуски на средства монтажа и контроля оснастки, пределы допустимых погрешностей контрольно-макетных средств при контроле оптическими и лазерными приборами подробно рассмотрены в работе Вагнера Е.Т. (Вагнер Е.Т.Лазеры в самолетостроении. М. ¡Машиностроение, 1980,192 с.)

Систематическая погрешность включает в себя, как правило, погрешности измерительных средств, погрешности технологической оснастки, предназначенной для установки этих средств, погрешности базы для установки этой оснастки и т. п. Составляющими случайной погрешности являются грубая

погрешность измерения, погрешности, приобретаемые под воздействием внешних условий и т. п.

Рассматривая точностные возможности контрольно-макетной оснастки как средства монтажа, можно сделать заключение о погрешностях, которые вносятся при изготовлении сборочных приспособлений. Так, суммарная погрешность монтажа стапелей находится в пределах 0,2...0,5мм. Однако, как показала практика, при размерах контрольно-монтажной оснастки более Юм значительно снижается ее точность изготовления и погрешность монтажа увеличивается в три-четыре раза.

Суммарная погрешность монтажа сборочных приспособлений с помощью координатных стендов колеблется в пределах 0,05...0,8лш. Эти погрешности возникают не только вследствие неточности координатной сетки инструментальных стендов, но и вследствие погрешностей фитингов, калибров и других установочных средств, закрепляемых на координатных линейках.

И все же, несмотря на указанные недостатки, инструментальные стенды являются эффективными монтажными средствами. Точность монтажа узлов на этих стендах может быть повышена при использовании оптических и лазерных измерительных систем. О перспективности применения лазеров для повышения точности измерения в самолетостроения указывалось в работах Вагнера Е.Т., Митрофанова A.A. и Баркова В.Н. (Вагнера Е.Т., Митрофанова A.A., Баркова В.Н. Лазерные и оптические методы контроля в самолетостроении. -М., Машиностроение, 1977 г.).

Большие габаритные размеры и высокие точностные требования привели к тому, что бесконтактные оптические и лазерные методы контроля стали основными при изготовлении стапельной оснастки крупногабаритных вертолетов и самолетов.

Необходимо отметить отдельные факторы, которые в значительной степени влияют на погрешности измерения оптическими методами: низкая квалификация операторов, работающих с измерительными приборами; особенность зрения операторов, работающих с оптическими приборами, вносящая элемент субъективности в оценку качества монтажных работ.

Лазерные приборы на порядок точнее оптических. Погрешность центрирования целевых знаков при сборочных и монтажных работах находится в пределах ±0,05мм (с учетом использования фотоприемных устройств). При монтаже стапельной оснастки для крупногабаритных вертолетов и самолетов диапазон измерений лазерных приборов неограничен. Рассмотрены особенности применения лазеров в измерительной технике. Особое внимание уделено применению маломощных газовых лазеров, в частности гелий-неоновых, имеющих параметры, наиболее близкие к оптимальным параметрам излучателей современных измерительных систем.

Для более точных измерений при установке агрегатов применяют ф отоприемники лазерного излучения. Они являются основным узлом позиционно-чувствительного целевого знака (ПЧЦЗ) десятков метров от лазерного прибора, с помощью системы с ПЧЦЗ равна ±0,12мм.

Недостатками измерительной системы с ПЧЦЗ являются также жесткие требования к линейности световых характеристик приемников излучения и нестабильность нулевой точки при неодинаковом изменении их чувствительности.

В первой главе проведен сравнительный анализ точностных возможностей центрирования объектов рассмотренными выше методами.

Указаны основные недостатки и преимущества методов и проблемы, стоящие перед учеными, работающими в данной области. На основании обзора литературы определены основные задачи исследований.

Во второй главе приводятся результаты исследования прохождения оптических лучей через пентапризму. При анализе суммарной погрешности не было уделено должного внимания погрешности, связанной с неточностью установки пентапризмы в поворотном устройстве.

Аналитически исследовано взаимное положение входного и выходного оптического луча.

Результаты расчетов угла <р±_ и координаты выхода ун оптического луча для пентапризмы с 5=50 мм приведены в таблице 1. Из приведенной таблицы следует, что при изменении угла ср от 85° до 95° угол (рх_ с высокой точностью равен 90°. Этим объясняется широкое применение пентапризмы в измерительных системах, когда требуется с высокой точностью обеспечить перпендикулярность входящего и выходящего оптических лучей.

Таблица 1

А5=Ун <Р.° А5=Ун

85,00 41,040 -3.45803Е+16 -90 90,00 25 -1,63246Е+16 -90

86,00 37,787 6.47194Е+16 90 90,10 24,684 -9.28193Е+15 -90

86.50 36,170 2,46362Е+16 90 90,20 24,368 -6.45098Е+17 -90

87,00 34,559 -5,74465Е+16 -90 90,30 24,053 -8.6014Е+16 -90

88,00 31,354 1Д7385Е+16 90 90,40 23,737 1,67562Е+16 90

88,50 29,759 3.44207Е+16 90 90,45 23,579 1.57107Е+16 90

89,00 28,168 2.34627Е+16 90 90,50 23,422 8,97566Е+15 90

89,10 27,851 2.86755Е+17 90 90,60 23,107 1,53605Е+16 90

89,20 27,533 2ДН618Е+16 90 90,70 22,791 1.41793Е+16 90

89,30 27,216 -1,13434Е+16 -90 90,80 22,477 -8,06471Е+16 -90

89,40 26,899 -9,66502Е+15 -90 90,90 22,162 -1.79222Е+16 -90

89,45 26,740 -1,40056Е+16 -90 91,00 21,847 -2Д5075Е+16 -90

89,50 26,582 -3,82297Е+16 -90 91,50 20,276 -1,56458Е+16 -90

89,60 26,265 -1.26493Е+16 -90 92,00 18,707 -2,58247Е+16 -90

89,70 25,949 -4.0959Е+16 -90 93,00 15,578 1,48201Е+16 90

89,80 25,632 -2.58039Е+16 90 94,00 12,457 1,48201Е+16 90

89,90 25,316 3.30818Е+16 90 95,00 9,343 1,48201Е+16 90

Таким образом, показано, что неправильная ориентация входного окна пентапризмы относительно опорного оптического луча приводит к появлению дополнительных погрешностей, связанных с определением координат установки технологического оборудования. Поэтому необходимо принимать

меры для точной установки пентапризмы по отношению к опорному лазерному лучу.

Рассмотрено прохождение оптических лучей через пентапризму при ортогональном падении луча на входное окно пентапризмы. Показано, что при создании высокоточных измерительных систем производственного назначения необходимо стабилизировать положение луча по координате х с высокой точностью, так как при смещении центра тяжести оптического луча от заданного положения возникают погрешности измерения по координате у, связанные со смещением луча по координате х.

Проанализированы особенности прохождения лазерного излучения через пентапризму при произвольном угле падения входного оптического сигнала на окно пентапризмы. Исследованы изменения координаты выхода оптического луча в зависимости от изменения угла (р для пяти типоразмеров пентапризм. Указанные зависимости приведены в виде таблиц и графиков. Из приведенных графиков (Рис.1) видно, что при отклонении угла (р от 90° в пределах ±1°, зависимость координаты ун от угла (р линейна и имеет малую крутизну. При увеличении отклонения угла от указанного диапазона наблюдается резкое увеличение отклонения координаты ун от среднего значения.

87,

0 89,0

89,3

89,5 89,8 90,1 90,4 90,6 угол входа луча

90,9 92,

0

95,

0

га х

Ч о.

О о

45,00 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00

—♦— В=50 -» ¡3=40 В=30

-ж-В=10

Рисунок. 1 Зависимость ун = /(<р)

Показано, что для уменьшения погрешностей измерения поворотное устройство должно устанавливаться с высокой точностью. Приведена методика определения местоположения базовой точки пентапризмы.

Для проверки результатов теоретических исследований была создана экспериментальная установка для исследования особенностей прохождения лазерного излучения через пентапризму и разработана методика проведения экспериментов. Показано, что характер зависимостей и абсолютные значения

отклонения координат входного и выходного с высокой точностью совпадают с результатами теоретических исследований.

В приведенных в конце главы выводах показано, что при нормальном падении лазерного луча на входное окно пентапризмы координата выхода линейно зависит от координаты входа лазерного излучения. Длина пробега лазерного луча внутри пентапризмы не зависит от координаты входа лазерного луча.

Отклонение угла падения лазерного луча на входное окно пентапризмы от 90° приводит к изменению координаты выхода.

Третья глава посвящена исследованию использования пентапризмы в лазерных центрирующих системах с позиционно-чувствительными фотоприемниками и с пространственным сканированием луча.

Конструкции центрирующих измерительных систем, применяемых при сборке крупногабаритных изделий, подробно рассмотрены в работе Митрофанова A.A. (Митрофанов A.A. Контроль сборки летательных аппаратов. М.¡Машиностроение, 1989, -208 с. ил.).

. Показано, что создание оптических квантовых генераторов позволило развить проблему центрирования на принципиально новой, более прогрессивной основе. Лазерный метод центрирования объектов по сравнению с оптическими методами визирования имеет существенные преимущества, главными из которых являются: более высокая дальность измерений (до 100 и более метров), высокая точность (до производительность и объективность контроля.

Приведен анализ использования лазерных центрирующих измерительных систем для разметки осей и плоскостей летательных аппаратов. Рассмотрены основные способы использования лазеров в качестве средств разметки и проверки правильности монтажа и установки узлов летательного аппарата. Показано, что лазерные центрирующие измерительные системы - это большой комплекс приборов и устройств, которые позволяют производить бесконтактный контроль геометрических параметров изделий на всех стадиях изготовления самолета, начиная с технологической подготовки производства, изготовления оснастки и заканчивая контролем размеров самолетов при их выходе на летные испытания. При этом, одним из наиболее важных элементов измерительной системы является узел поворота лазерного луча в плоскости перпендикулярной оси лазерного излучения.

Исследованы причины возникновения погрешностей, возникающих при контроле соосности отверстий фиксирующих узлов осевых направляющих. Показано, что при ортогональном падении луча на окно пентапризмы, возможно возникновение погрешности установки узлов, в случае, когда точка прибора не лежит на оси поворота поворотного узла.

При неортогональном падении луча на середину входной грани пентапризмы, координата выхода преломленного луча также изменяется. Таким образом, возникает погрешность измерения связанная с неточностью установки пентапризмы в поворотном узле.

Неортогональная установка пентапризмы в поворотном узле кроме смещения точки выхода изменяет длину хода луча внутри самой пентапризмы. Если длину хода луча внутри пентапризмы при ортогональной установке принять в качестве точки отсчета, то абсолютную погрешность связанную с увеличением длинны хода луча можно рассчитать, используя следующее соотношение; АЬ = 3,415(1 - сое от), где В. ширина грани пентапризмы.

Результаты теоретических расчетов приведены в таблице 2.

Таблица 2.

ОТ, град Увеличение длинны хода луча АЬ, мкм.

В=10 мм. В=20 мм. В=30 мм. В=40 мм. В=50 мм.

5' 1,02 2,05 3,07 4,09 5,11

10' 5,46 10,9 16,4 21,8 27,3

15' 9,21 18,4 27,6 36,8 46

30' 37,5 75 113 150 188

45' 81,8 164 246 327 409

1' 147 293 440 587 733

Если в качестве точки отсчета положения поворотного узла пентапризмы (точка прибора) принята точка пересечения входного и выходного лучей внутри пентапризмы, то неточность установки пентапризмы под углом ко входному лучу приводит к возникновению погрешности измерения по обоим координатам.

Приведены теоретические расчеты возникающих погрешностей и зависимости этих погрешностей от угла падения на входную грань пентапризмы. Показано, что погрешность по оси X намного больше погрешности по оси У. Поэтому, для обеспечения точности измерений не хуже &Х>\мм отклонение входного луча от ортогонального падения не должно превышать 1 градуса. Показано, что неточности установки пентапризмы относительно ортогонального направления должна быть намного меньше 1 градуса. Если принять за максимально допустимую погрешность отклонения выходного луча в 1 мм., то максимальный угол отклонения при использование пентапризмы со стороной равной 50 мм составит примерно 24'.

Таблица 3

ос. Отклонение луча от центра выходной грани пентапризмы АХ , мм.

В=10 мм. В=20 мм. В =30 мм. В=40 мм. В=50 мм.

0' 0 0 0 0 0

3' 0,023 0,0485 0,069 0,0931 0,116

6' 0,049 0,098 0,148 0,197 0,247

9' 0,075 0,151 0,226 0,302 0,378

12' 0,101 0,203 0,305 0,407 0,509

15' 0,125 0,250 0,375 0,500 0,625

18' 0,151 0,302 0,453 0,605 0,756

21' 0,177 0,354 0,532 0,709 0,887

24' 0,203 0,407 0,610 0,814 1,018

Таблица 4.

а, Отклонение луча от центра выходной грани пентапризмы АУ, мм.

В=10 мм. В=20 мм. В=30 мм. В=40 мм. В=50 мм.

0' 0 0 0 0 0

3' 0,00435 0,0087 0,01305 0,0174 0,02175

6' 0,0085 0,017 0,0255 0,034 0,0425

9' 0,013 0,026 0,039 0,052 0,065

12' 0,017 0,0349 0,052 0,0698 0,087

15' 0,0215 0,043 0,0645 0,086 0,107

18' 0,026 0,052 0,078 0,104 0,13

21' 0,0305 0,061 0,0915 0,122 0,1525

24' 0,035 0,07 0,105 0,14 0,175

Аналогичные погрешности возникают и в стационарных лазерных центрирующих измерительных системах, первые из которых были созданы еще в 70-х годах прошлого столетия (ЛЦИС-1). При рассмотрении наиболее характерных конструкций лазерных центрирующих измерительных систем, применяемых в отечественном и зарубежном самолетостроении, сделаны выводы, что точность измерений таких систем намного ниже, чем точность измерений лазерных интерферометров входящих в состав этих систем. Например, система ГАПСИ-1 обеспечивает точность измерения расстояний АХ =1 мкм/м в диапазоне от О-ИОО.м. При этом точность измерения системы в целом в 10 и сотни раз хуже. Не последнюю роль в формировании систематической погрешности играет неточная установка пентапризмы в поворотном узле и дефекты координатной линейке по которой передвигается каретка с поворотным узлом.

Показано, что если ввести в состав ЛЦИС устройство позволяющее оперативно проверять и при необходимости корректировать положение пентапризмы относительно входного луча, точность стационарных систем может быть существенно улучшена.

В четвертой главе рассмотрены особенности монтажа и контроля сборочной оснастки при помощи существующих отечественных и зарубежных «плаз-конструкторов» и пространственных - «инструментальных стендов». Исследование погрешностей инструментальных стендов показывают, что суммарная погрешность монтажа оснастки с помощью этих средств колеблется в довольно широких пределах от 0.05 до 0.8мм.

Из-за низкой точности монтажных работ на инструментальных стендах и плаз конструкторах приходится переставлять по месту до 25% узлов. И все же, несмотря на указанные недостатки. Инструментальные стенды являются эффективными монтажными средствами, точность которых может быть значительно повышена за счет применения прогрессивных средств настройки стендов с помощью лазерных измерительных систем.

Следует отметить еще один существенный недостаток инструментальных стендов и плаз-конструкторов. Это возможность использования их только в производственных условиях. Использование инструментальных стендов в условиях ремонтных боксов ограничена в связи с их высокой стоимостью и практически исключена в условиях аэродрома.

Для проверки состояния фюзеляжа в «полевых» условиях применяются переносные лазерные измерительные системы. Воронежским «НИИ автоматизированных средств производства и контроля» предлагаются мобильные лазерные координатно-измерительные системы. Швейцарской фирмой «Лейка» выпускается мобильная измерительная лазерная система ЬТО-500 «Лазер-треккер», предназначенная для контроля геометрических параметров крупногабаритных объектов в режиме реального времени. Той же фирмой выпускаются мобильные координатно-измерительные системы ТМБ-1600

Рассмотрены принципы построения отечественных и зарубежных переносных систем, а также точность измерения координат. В КГТУ им. А.Н.Туполева был разработан лазерный позиционер «Луч-1п», предназначенный для контроля прямолинейности перемещения стола инструментального стенда. Указанный прибор обеспечивает измерение минимальных смещений авиационных конструкций (в плоскости, ортогональной лазерному лучу) с гарантированной погрешностью не более 0,1 мм.

Г I

I I

О" /

Входной I лазерный л)1ч

4 I—I

7 8

1 1

9 10

Выходной лазерный луч Рис. 2 Устройство оптического блока с

На базе проведенных исследований предложена переносная лазерная измерительная система предназначена для монтажа или установки узла относительно оси летательного аппарата и является усовершенствованным вариантом контрольно-измерительного комплекса «Луч-1п». В состав комплекса входит усовершенствованный блок с пентапризмой позволяющий устанавливать пентапизму по отношению к входному лучу (Рис.2).

Устройство оптического блока показано на рис. 2. Оптический блок состоит из основания 1, которое жестко связано с котировочным столиком установленным на треноге. На основании 1 установлена пентапризма 2, два полупрозрачных зеркала 3, 4, установленных под углом 45 градусов по отношению к входному и выходному лучу соответственно и квадратурные приемники 5, 6. Сигналы с квадратурных приемников 5.6. подаются на устройства обработки сигналов 7, 8 и индикаторы положения входного и выходного луча 9,10. Фото установки приведено на рис.3.

Рис.3. Внешний вид блока с пентапризмой со снятой крышкой (1 -вид сбоку, 2-вид сверху) Применение описанных технических решений позволило повысить точность измерения более чем в два раза.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Совокупность результатов проведенных научных исследований можно квалифицировать как решение актуальной научно-технической задачи улучшения метрологических и технико-экономических характеристик лазерных систем точного позиционирования.

Основные выводы по работе можно сформулировать в виде следующих положений:

1 .На основе систематизации и анализа информации о существующих и перспективных лазерных систем точного позиционирования определены возможные пути улучшения метрологических и технико-экономических характеристик оптико-электронных систем точного позиционирования.

2. На базе проведенных исследований выявлены следующие особенности прохождения лазерного излучения через пентапризму при различных углах падения на ее входное окно: ортогональность между входным и выходным лазерными лучами сохраняется при всех допустимыхзначениях угла падения луча на входное окно пентапризмы. Отклонение от нормали угла падения входного лазерного луча на входное окно пентапризмы приводит к изменению точки пересечения входного и выходного лазерных лучей относительно базовой точки пересечения лучей в системах лазерного позиционирования.

3.Оценены основные погрешности систем позиционирования с вынесенной за пределы контролируемого пространства измерительной системы, состоящей из направляющей системы, передвижного измерительного устройства (каретка с поворотной системой лазерного луча на прямой угол) и лазерной системы задания оптических осей, обусловленных передвижением измерительного устройства с пентапризмой при различных отклонениях опорного лазерного луча

относительно опорной оси направляющей системы. Показано, что неточности при сборке направляющих в пределах 1мм приводит к ошибки измерения по координате в пределах 0.5 мм. Несогласование оси направляющей системы и оси лазерного луча приводит к значительному увеличению ошибки измерений. Предложен ряд мероприятий для уменьшения указанных погрешностей. С этой целью в состав измерительного блока необходимо ввести юстировочные приспособления с использованием координатно-чувствительных фотоприемных устройств.

4.На базе проведенных исследовании по оценке погрешностей существующих систем позиционирования с внутренним осесимметричным размещением лазерной измерительной системы и систем с пространственным сканированием лазерного луча на базе оптомеров при различных положениях лазерного излучения относительно элементов конструкций измерительной системы показано, что смещение оси вращения оптомера относительно лазерного луча приводит к значительным погрешностям в связи с тем, что выходящие лучи при повороте пентапризмы не лежат в одной плоскости. Поэтому конструкция оптомера должна быть дополнена котировочными приспособлениями с использованием координатно-чувствительных фотоприемных устройств. Показано, что применение указанных устройств позволяет уменьшить ошибки измерений до уровня 0.01 мм.

5..Разработаны и внедрены технические средства для повышения точности системах лазерного позиционирования с пространственным сканированием луча применительно к мобильным системам позиционирования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦН ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Ильина О.В. Прохождение лазерного излучения через пентапризму при произвольном угле входа оптического луча /О.В.Ильина// Физика волновых процессов и радиотехнические системы. Том 10, 2007. №4. Самара: Изд. «Самарский университет», - С. 139-142.

2. Ильина О.В. Погрешности измерения в лазерных измерительных системах с поворотной пентапризмой при ортогональном падении луча /О.В.Ильина // Нелинейный мир, 2011. №8. С.539-543.

Публикации в прочих изданиях:

1. Ильин А.Г., Ильина О.В., Телевизионная система для контроля герметичности топливных баков самолетов в труднодоступных местах. /О.В.Ильина ,А.Г.Ильин// Сб. «Электронное приборостроение». Вып. 4(20). -Казань, Изд. КГТУ им. А.Н. Туполева, 2001. - С. 60-63.

2. Ильина О.В. Лазерные системы точной привязки. /О.В.Ильина // Сб. «Электронное приборостроение». Вып. 4(38). - Казань, Изд. КГТУ им. А.Н. Туполева, 2004,- С. 74-77.

3. Ильина O.B. Экспериментальное исследование особенностей прохождения лазерного излучения через пентапризму. /О.В.Ильина // Сб. «Электронное приборостроение». Вып. 2(51). - Казань, Изд. ЗАО «Новое знание», 2007.- С. 23-26.

Тезисы в сборниках трудов научно-технических конференций:

1. Ильина О.В. Estimation of possibilities of objects centring systems exactness increase while working in atmospheric conditions. /О.В.Ильина // Сб. IX Международного симпозиума оптики атмосферы и океана. Томск: Тезисы докладов. Изд. ИОА РАН, 2002. - С. 116.

2. Ильина О.В. Оптико-электронная система контроля прямолинейности перемещения стола инструментального стенда. /В.И.Воронов, Н.И.Воронова, О.В.Ильина // Сб. 58-ой научной сессии, посвященной Дню радио: Тезисы докладов. Москва: Российское РНТОРЭС им. А.С.Попова, 2003.

3. Ильина О.В. Research of a ray displacement from semiconductor's laser because of air refraction. /О.В.Ильина // Сб. X Международного симпозиума оптики атмосферы и океана. Томск: Тезисы докладов. Изд. ИОА РАН, 2003. -С. 140.

4. Ильина О.В. Conception of building laser systems for measuring deviations from straightforwardness. /О.В.Ильина // Сб. X Международного симпозиума оптики атмосферы и океана. Томск: Тезисы докладов Изд. ИОА РАН, 2003. - С. 143.

5. Ильина О.В. Использование полупроводниковых лазеров в системах позиционирования. /О.В.Ильина И Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Сб. материалов XVI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Часть 1. Казань: Изд.-во «Отечество», 2004. - С. 121-122.

6. Ильина О.В. Телевизионная система для визуального контроля состояния узлов и агрегатов в труднодоступных местах. // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. /О.В.Ильина А.Г.Ильин//Сб. материалов XVI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Часть 1. Казань: Изд.-во «Отечество», 2004 -С. 214-215.

7. Ильина О.В. Особенности прохождения оптического луча через пентапризму в лазерных измерительных системах. /О.В.Ильина // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Сб. материалов XVIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Часть 1. Казань: Изд.-во «Отечество», 2006.

8. Ильина O.B. Экспериментальное исследование особенностей прохождения лазерного излучения через пентапризму. /О.В.Ильина // Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Сб. материалов XVIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. Часть 1. Казань: Изд.-во «Отечество», 2006.

9. Ильина О.В. Экспериментальное исследование особенностей прохождения лазерного излучения через пентапризму. /О.В.Ильина // Авиакосмические технологии и оборудование. Казань - 2006. Материалы Международной научно-практической конференции. 15-16 августа 2006 года. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2006. - С. 212-213.

10. Ильина О.В. Особенности прохождения лазерного излучения через пентапризму. /О.В.Ильина // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций. Самара - 2006. Материалы VII Международной научно-технической конференции. 20 - 23 ноября 2006 г. Самара: Изд-во ПГАТИ, 2006. -С. 353.

11. Ильина О.В. Математическое моделирование прохождения лазерного излучения в измерительной системе с пентапризмой. /О.В.Ильина // Информационные технологии в науке, образовании и производстве: Материалы Всероссийской научной конференции. 30-31 мая 2007 года. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2007. - С.

12. Ильина О.В. Особенности использования пентапризмы в лазерных центрирующих системах со сканированием луча. /О.В.Ильина // Тезисы докладов V Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Казань, 2008.

13. Ильина О.В. Прохождение лазерного излучения через пентапризму в измерительных комплексах. /О.В.Ильина // Тезисы докладов IX международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», посвященной 100-летию со дня рождения академика В. А. Котельникова и 120-летию телефонной связи в Татарстане. Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. 2008, - С.120-121.

14. Ильина О.В. Погрешности измерения в лазерных измерительных системах с поворотной пентапризмой при ортогональном падении луча. /О.В.Ильина // Тезисы докладов XII международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций». Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. 2011.

15. Ильина О.В. Обеспечение точности измерений в переносных лазерных измерительных системах. /О.В.Ильина // Тезисы докладов XII международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций». Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та. 2011.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ.л. 1,25. Усл.печ.лю 1,16. Тираж 110. Заказ Б 139.

Типография КНИТУ-КАИ 420111, Казань, К.Маркса, 10

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ"

На правах рукописи

С^С/^и^^___-

О4201454ОЗО

Ильина Ольга Владимировна

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СБОРОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В АВИАСТРОЕНИИ

Специальность 05.11.07 — Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.И. Воронов

Казань - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ 1

ВВЕДЕНИЕ 3

Глава 1. ПРИБОРЫ ДЛЯ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ В АВИАЦИОННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ 19

1.1. Метрологическое обеспечение измерений в авиационной промышленности 19

1.2. Основные средства диагностического и лазерного контроля 24

1.3. Основные схемы построения измерительных систем и их метрологические характеристики 35 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 50

Глава 2 ПРОХОЖДЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ЧЕРЕЗ ПЕНТАПРИЗМУ 52

2.1. Особенности прохождения оптических лучей через пентапризму при их ортогональном падении 52

2.2. Прохождение лазерного излучения через пентапризму при произвольном угле падения 56

2.3. Местоположение базовой точки пентапризмы 63

2.4. Экспериментальное исследование прохождения лазерного луча через пентапризму 70

2.5. Методика проведения экспериментальных исследований 72 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 74

Глава 3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СУЩЕСТВУЮЩИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 75

3.1. Основные свойства измерительных систем с внешним расположением координатной линейки 77

3.3. Погрешности измерений при установке опорных технологических плит 94

3.4. Особенности модернизации устройства поворота лазерного луча 101 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 103

Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ

104

4.1 Лазерный позиционер «ЛУЧ-1 п» 104

4.2. Устройство поворота луча с пентапризмой 105

4.3. Переносная лазерная измерительная система 110 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 115

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 117

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Развитие самолетостроения выдвигает все более возрастающие требования к качеству изготовления их узлов и агрегатов, и, следовательно, к методам и средствам контроля их сборки.

Совершенствование технологической подготовки производства сборки современных самолетов требует совершенствования измерительных систем для пространственного позиционирования оснастки и отдельных сборочных конструкций самолета. Для этих целей применяется широкий арсенал измерительных систем как контактного, так бесконтактного типов. Контактные методы позволяют получить высокую точность. Время, необходимое для проведения измерений при контактных методах меньше, чем при бесконтактных, так как приборы проще устанавливать в нужное для измерений положение. При использовании контактных методов измерения приборы устанавливаются на измеряемом изделии. Большие габариты контролируемых объектов и высокие точностные требования к монтажу изделий привели к широкому развитию бесконтактных методов контроля. Основными приборами при изготовлении стапельной оснастки самолетов среднего и тяжелого класса стали бесконтактные оптические средства.

При применении бесконтактных методов измерения измерительные приборы устанавливаются на стенде или на специальных подставках, которые не соприкасаются с измеряемым изделием. Наиболее перспективными являются оптические и лазерные методы измерения и контроля. Они обладают рядом преимуществ. Эти методы позволяют выполнять контроль на

значительных расстояниях с высокой точностью и малой инерцией. С помощью оптических и лазерных методов можно измерять линейные и угловые величины, управлять установкой агрегатов и узлов в процессе сборки самолетов и получать наиболее объективные результаты контроля.

Работа с оптическими приборами требует определенных знаний и навыков. Использование оптических методов измерения и контроля в производстве дает возможность более точно выполнять технологические требования в процессе сборочных работ и тем самым обеспечивает надежную работу агрегатов в процессе эксплуатации. С помощью разработанных в настоящее время оптических приборов можно измерять размеры, контролировать формы и взаимное расположение осей и поверхностей с большой точностью.

Создание оптических квантовых генераторов (лазеров) оказало стимулирующее влияние на разработку новых, наиболее точных и производительных методов и средств контроля геометрических параметров изделий машиностроения.

Лазерные методы контроля по сравнению с обычными оптическими имеют существенные преимущества, главными из которых являются: высокая точность, дальность, производительность и объективность. В качестве лазерных систем точного позиционирования наиболее часто используются лазерные интерферометры, поляризационные устройства, устройства с ячейками Керра, устройства, основанные на фазовом преобразовании сигнала, и приборы, использующие сканирование лазерного луча. Указанные устройства сложны в практической реализации [77].

Выбор схемы измерения необходимо начинать с проработки различных возможных вариантов этих схем с учетом технологических требований. При этом необходимо учесть выбор базы для установки оптического и лазерного прибора, возможность установки целевых знаков, отвесов и т. п., обеспечить наименьшие погрешности при измерениях, удобство в работе с оптическим и лазерным прибором при измерениях, минимальные затраты времени на контроль технологических операций. Однако, как следует из анализа

существующих систем измерений, применяемых на практике, не всегда достигаются предельные характеристики по измерению расстояния между объектами. В качестве примера можно привести тот факт, что при использовании интерференционных методов измерения расстояния погрешность измерителя порядка 1 мкм. В то же время погрешность измерений расстояния у реальных систем составляет величину более 0Лмм. В этом случае для повышения точности привязки применяются реперные точки. Поэтому является актуальной задачей поиск схемных решений, позволяющих повысить точность измерений. При выборе схемы измерений необходимо уделять особое внимание вопросам повышения точности измерений.

Для практического применения более пригодны системы с позиционно-чувствительными фотоприемниками и системы с пространственным сканированием лазерного луча. Однако возможности указанных систем изучены недостаточно.

На основании выше изложенного можно сделать вывод - что является актуальным поиск методов повышения точности систем пространственного позиционирования крупногабаритных изделий при сборочных работах в авиационном машиностроении, и задачи усовершенствования оптоэлектронных систем точного позиционирования

Объект исследования. Оптико-электронная измерительная аппаратура для точного позиционирования конструкций при сборке изделий авиационного машиностроения.

Предмет исследования. Повышение точности лазерных систем позиционирования для авиационного машиностроения.

Цель диссертационной работы. Улучшение метрологических и технико-экономических характеристик оптико-электронных систем точного позиционирования на базе исследования лазерных методов контроля и оценки их основных погрешностей, связанных с неточностью установки отдельных элементов системы.

Научная задача диссертации. Разработка принципов построения, методов анализа и синтеза оптико-электронной измерительной аппаратуры точного позиционирования, основанных на особенностях применения пентапризмы с учетом взаимного положения элементов конструкции и лазерного излучения

Решение поставленной задачи научного исследования проводилось по следующим основным направлениям:

1. Анализ оптических и лазерных систем точного позиционирования и методов измерения линейных и угловых величин в системах точного позиционирования.

2. Особенности прохождения лазерного излучения через пентапризму при различных углах падения на ее входное окно. Влияние угла падения лазерного излучения на входное окно пентапризмы на изменении точки пересечения входного и выходного лазерных лучей относительно базовой точки пересечения лучей в системах лазерного позиционирования.

3. Оценка погрешностей систем позиционирования с вынесенной за пределы контролируемого пространства измерительной системы, состоящей из направляющей системы, передвижного измерительного устройства (каретка с поворотной системой лазерного луча на прямой угол) и лазерной системы задания оптических осей, обусловленных передвижением измерительного устройства с пентапризмой при различных отклонениях опорного лазерного луча относительно опорной оси направляющей системы. Поиск способа уменьшения погрешностей позиционирования и технических средств их реализации.

4. Оценка погрешностей существующих систем позиционирования с внутренним осесимметричным размещением лазерной измерительной системы и систем с пространственным сканированием лазерного луча на базе оптомеров при различных положениях лазерного излучения относительно элементов конструкций измерительной системы.

5. Разработка и внедрение технических средств для повышения точности в системах лазерного позиционирования с пространственным сканированием луча применительно к мобильным системам позиционирования.

Методы исследования, достоверность и обоснованность. При выполнении данной работы применялись методы теории оптико-электронных систем, моделирования измерений и оценки погрешностей. Достоверность обеспечивается математической строгостью при получении аналитических решений и разработке алгоритмов численного моделирования, непротиворечивостью полученных результатов и выводов, их согласованием с существующими положениями общепринятой теории. Использованием математических моделей, адекватно отображающих прохождение лазерного излучения в пентапризме, которые хорошо согласуются в частных случаях с экспериментальными данными, полученными другими исследователями. Экспериментальным подтверждением результатов теоретических исследований и использованием полученных данных в практических разработках.

Научная новизна работы.

1. Выявлены резервы для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик лазерных систем точного позиционирования применительно к задачам авиационного машиностроения.

2. Предложены структуры построения систем позиционирования с внешним и внутренним размещением лазерной измерительной системы. Показана необходимость доработки передвижных систем измерения в существующих системах позиционирования.

3. Выявлены основные источники погрешности и разработаны методики их расчета при создании перспективных систем позиционировании и предложены методы и средства их устранения.

4. Разработаны методики построения по точностным критериям структурных схем функциональных блоков мобильной системы позиционирования.

Практическая значимость диссертационной работы определяется:

1. Результатами исследований неточности установки пентапризмы в поворотном узле и ее влияние на точность измерительного устройства оптико-электронного позиционирования.

2. Предложенной методикой повышения точности измерений в оптико-электронных системах позиционирования за счет введения элементов юстировки.

3. Разработкой структурной схемы и реализацией основных узлов мобильной системы позиционирования.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты работы по повышению точности измерений в системах лазерного позиционирования с пространственным сканированием луча различного назначения внедрены и использовались при выполнении хоздоговорных и бюджетных НИР в ОАО «Казанское авиационное производственное объединение им. С.П. Горбунова». Материалы диссертационной работы практически используются в учебном процессе кафедры Радиоэлектронных и квантовых устройств КНИТУ-КАИ при подготовке специалистов по специальности «Радиотехника», что подтверждено соответствующими актами.

Личный вклад. Материалы диссертации являются обобщением работ автора по данному направлению, выполненных в период с 2000 по 2013 г., и отражают его личный вклад в решаемую проблему, который состоял в постановке рассмотренных задач, разработке методов исследования, алгоритмов численного моделирования и интерпретации полученных результатов. На всех этапах работы автор являлся ответственным исполнителем НИР. В опубликованных работах с соавторами, включенных в диссертацию, автор принимал непосредственное участие в постановке задач, разработке методов исследования, теоретических моделей и методов анализа, разработке алгоритмов и математических имитационных моделей, в проведении теоретических расчетов и экспериментов, проводил анализ результатов и их обобщение.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на IX Межреспубликанском симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, 2002г.), 58-ой научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 2003г.), X Международном симпозиуме оптики атмосферы и океана (Томск, 2003г.), XVI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутри-камерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2004г.), XVIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутри-камерные процессы в энергетических установках, струйная акустика, диагностика технических систем, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2006г.), Международной научно-практической конференции «Авиакосмические технологии и оборудование» (Казань, 2006г.), VII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Самара, 2006г.), Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (Казань, 2007г.), V Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2008 г.), IX международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», посвященной 100-летию со дня рождения академика В. А. Котельникова и 120-летию телефонной связи в Татарстане (Казань, 2008г.), XVIII Российской научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов университета с приглашением ведущих ученых и специалистов родственных вузов и организаций (Самара, 2011г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 20 научных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах по списку ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, оглавления. Основная часть изложена на

126 страницах текста и содержит 46 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает в себя 88 наименований.

Диссертация соответствует паспорту специальности 05.11.07 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» по пункту 2.Разработка, совершенствование и исследование характеристик приборов, систем и комплексов с использованием электромагнитного излучения оптического диапазона волн, предназначенных для решения задач: измерения геометрических и физических величин, исследования и контроля параметров различных сред и объектов, в том числе при решении технологических, экологических и биологических задач.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и формулируется основная цель работы применительно к оптико-электронным системам точного позиционирования на базе полупроводниковых лазеров. Определены основные решаемые задачи исследований, приводятся основные положения, выносимые на защиту. Во введении приводится краткое описание материалов каждой главы.

В первой главе приведен обзор литературных источников по лазерным и оптическим методам и средствам контроля в самолетостроении.

Оптические и лазерные методы и средства измерений линейных и угловых величин, а также теоретические основы измерений в авиастроении подробно рассмотрены в работе Митрофанова A.A. [56].

Приведены основные признаки классификации методов измерения, погрешностей возникающих при измерении линейных и угловых величин оптическими методами, а также рассмотрены особенности применения оптических способов измерения в самолетостроении.

При оптических измерениях определяющей будет инструментальная погрешность измерения, а составляющими ее будут