автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Построение лазерных систем для измерения перемещений по трем координатам на основе акустооптического преобразования измерительной информации

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОКЯТЕТ РСФСР ПО ДЕЛАМ НАУКИ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СТАНКОИНСТРУИЕНТАЛЬКЬШ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЯКОВЛЕВ НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 531.715.1.<582.54 :681.326.7.06. <043.3)

ПОСТРОЕНИЕ ЛАЗЕРНЫХ'СИСТЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ПО ТРЕН КООРДИНАТАМ НА ОСНОВЕ АКУСТООПТЙЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

СдвЦИЭЛЬНОСТЬ 05. II. 16 - Ин®0рмац!!0ш!0-изнэрчтелькыв

систолы (по отраслям)

у АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1991

1

*./

Работа выполнена з Московской ордена Трудового Красного Знакени станкоикструиентальноы институте.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор ТЕЛЕШЕВСКИЙ! В. И.

Официальные оппоненты - доктор технически» наук,

профессор Котик А.©.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Чудов В.А.

Ведущее предприятие - ВНИйкзиерэния

Защита состоится " №" 199<?г. в час,

но заседании специализированного совета Д.053.03 при Московской ордена Трудового Красного Знакени стаикоинс?руиентальнои-институте по адресу: 101472, Москва, Вадковский пер., д. Зе.

Ваши отзывы в двух зкзеипяярах, заверенные гербовой печатью, просьба выслать по указанному адресу.

С диссертацией иокно ознакомиться в библиотеке института.

3 - «

Авторзфэрат разослан

1991 г.

Ученьгй секретарь специализированного

совета к.т.к., доцент О У ЯУКИНОВ А.П.

- 3. -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение качества и надежности малин и оборудования является одной из основных проблей современного машиностроения. Применяемые в настоящее ■ время средства контроля не всегда соответствуют современный требованиям, предъ являемый к точности и достоверности результатов измерений, поэтому ускорение внедрения новых средств контроля, в том числе с использованием лазеров, является первостепенной задачей.

Характерной особенность» современного технологического оборудования (ТО) является многокоординатность, что вызывает необходимость создания высокоточных иногокоординатных измерительных систем (ИС), позволяющих осуществлять .истемный подход к задачам контроля и диагностики ТО.

Для целей многопараметрового контроля ТО перспективны лазерные измерительные системы (ЛИС) с акустооптичесхим преобразованием частоты, расширение функциональных возможностей которых достижимо на основе метода гетеродинной лазерной интнрферо-цетрин с многолучевым акустооптическиц взаимодействием (A0D)

Настоящая работа посвящена решению научной задачи выявления закономерностей преобразования ортогональных перемещений и направлениях распространения спета и звука в гетеродинных ЛИС при многолучевом АОВ.

Актуальность и народно-хозяйственное значение работы определяется тем, что она является составной частью комплекса исследований, выполняемых МОССТАНКИНои по решению научно-технической проблемы 0.16.10, задание 0I.06.H "Разработка принципов создания систем контроля в ГПС".

Цель работы. Разработка принципов построения лазерных систем для измерения перемещений по трем координатам и на этой основе повышение точности и производительности измерения линейных перемещений и ич отклонений от прямолинейности в пространстве.

Методы исследований. В работе используется аппарат теории функций комплексного переменного, Фурье-оптики, теории автоматического управления, теории пространственной фильтрации, математической статистики с применением ЭВМ. При экспериментальных исследованиях применены методы и средства лазерной интерферометрии, акустооптики, пространственной фильтрации, фотоэлектрических преобразований, включая оптическое гетерчдимирование.

- <t -

!Ш( п!:г> i-iii'iH фззо- и частотометрии, прецизионных линейных измерении, вычислительной техники.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Выявлена закономерность преобразования ИИ о перемещении в направлении звука в гетеродинных ЛИС с повышенной разрешающей способностью при формировании акустооптоэлектронной обратной связи (АОС), на основе которой изменение координаты ЛОВ прообразуется в пропорциональное изменение частоты звука с допускаемой нелинейность».

2. Найдена зависимость статического коэффициента преобразования перемещения в частоту звука от параметров цепи ЛОС: координаты АОВ, постоянной времени электрической цепи, начальной частоты возбуждения и скорости звука, расстояния иежду зоной» АОБ и фотонрообразования.

5. Выявлена структура суммарной погрешности ЛИС с фазовш и частотным преобразованием перенесений в направлении звука. Определены источники наибольших систематических погрешностей » предложены методы их уменьшения.

Практическая ценность работы

1. Реализован новый принцип построения гетеродинных ЛИС с акустооптическим преобразованием частоты, который обеспечивает измерение трехкоординатных перемещений на основе многолучевой акустооптического взаимодействия интерференционных оптически] сигналов в общей апертуре, а также пространственной когерентности света и звука.

Н'

2. Реализован способ повышения разрешающей способности измерения перемещений в направлении ультразвука, что позволил« достичь уровня разрешения существующих ЛИС. Экспериментальны! исследования способа измерения перемещений объекта показали что при коэффициенте преобразования 0.387 КГц/мки, погрешность измерения не превышает -0.082мкм, а достигнутая разрешающая способность по фазе Л/1214 не является предельны» значение».

3. Реализован экспериментальный образец J ' с АОС, позво лявщий проводить измерения отклонений от прямолинейности и пер пендикулярности траекторий перемещений рабочих органов ТО разрешающей способностью 0.1 »км в диапазоне 1о.5мм на длине до 1м.

4. Разработана. ttiiC для мвогопараметрового контроля точное ти ТО на базе ЛИС с АОС, микропроцессорного блока цифровой ин

дикации К524 и програциного обеспечения для ввода поправок в результаты измерений и к длине волны лазерного излучения.

Внедрение полученных результатов. Результаты работы использованы при создании лазерного датчика линейных перемещений (ЛДЛП), входящего в состав ЛИС для станков субмикронной точности МШ-356, внедряемой на Московской станкостроительной заводе "МСЗ" с ориентировочный экономический эффектом 60 тыс.руб. в год.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: научно-технической конференции "Разработка и внедрение гибких производственных систем для иоханической обработки", г.Омск, 1987г.; научно-практической конференции "Применение лазеров в науке и технике"; г.Омск, 1988,1990гг.; научно-технической конференции "Лазеры в приборостроении и машиностроении"; г.Пенза, 1930г.; 8 Всесоюзной научно-технической конференции "Фотометрия и ее петрологическое эбеспеченио"; г.Москва, 1990г.

Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок имеется 5 публикаций, оформлено 2 отчета по научно-исс-яодовательскиы работам, получено 3 авторских свидетельства СССР ла изобретения и 4 положительных решения по заявкам на -изобретения .

Структура к объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глаз, заключения, списка литературы и приложений Общий эбъем работы - 235 е., в том числе 133 с. основного текста, 51 таблиц и рисунков, список литературы из 90 наименований на Э е., приложения на 42 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы задачи исследования, приведены основные научные положения и ре-эультаты работы, выносимые на зациту.

В первой главе анализируются задачи в области контроля точности геометрических параметров переяе'дений рабочих органов Г0. Показано, что объемная точность станка , определяемая зели-■шной и пространственной ориентацией вектора погрешности позиционирования для любой точки рабочего пространства, зависит от зсех погрешностей геометрии станка по зеен хоординатам.

Увеличение параыетров контроля ставит задачу создания ИИС

для мн''[■■'■;!.чра метрового контроля ТО. Лазерные ИИС, как высоко' точны!' i редстоа измерений наиболее перспективны для реаени:

зтой задачи.

В современных гетеродинных ЛИС фирмы "HeutGtt-PoCKQZd (СШЛ), а также отечественных, серийно выпускаемых модели: ИПЛ-ЮМ.Ь? и ИПЛ-ЗОК многопэраметровый контроль ТО достигаете! блочно-модульной реализацией оптических схем. Каждый интерференционный модуль состоит из двух-трех сменных блоков для контроля определенного параметра. Смена параметра контроля приводи1 к замене самого интерференционного модуля, что снижает проиэво дительность контрольно-измерительных операций.

Кроме того, при измерении точности линейного поэициониро' вания лазерными интерференционными методами возникает погреш ность выставления, называемая в ряде источников косинусно] ошибкой.

На основе проведенного анализа делается вывод о необходи мости одновременного измерения таких параметров ТО, как точ ность линейных перемещений и прямолинейность траектории первые щения в пространстве, что позволит устранить погрешности выста вления луча, Аббе и др.

Наибольшими потенциальными возможностями в отношении рас ширения функциональных возможностей ИИС для многопараметровог контроля обладает гетеродинные ЛИС с акустооптическим преобра зованием частоты света, основы теории и принципы построения ко торых были впервые разработаны в СССР д.т.н..профессором Теле шевским В.И.

В настоящей работе осуществляется дальнейшее развитие эти принципов применительно к построение трехкоординатных ЛИС дл контроля линейных перемещений и их отклонений от прямолинейное ти в пространстве. Для построения таких ЛИС предлагается однов ременное использование пространственной когерентности световы и акустических полей при многолучевом АОВ измерительных свето вых волн в общей апертуре со скрещенными ультразвуковыми перио дическими структурами.

В соответствии с вышеизложенным, задачами исследования чв ляются следующие:

I. Анализ трехмерного преобразования информации пси много лучевом АОВ измерительных световых волн ь общ-и .чпиртур«- с скрещенными ультразвуковыми полями и р^зраГоткя на »м с, иной

метода измерения пространственных перемещений объекта по трем ортогональный осям .

2. Анализ разрешающей способности ЛИС в направлении ультразвука и изыскание путей ее повышения.

3. Построение математической модели (ММ) процесса преобразования ИИ к so анализ.

Определение суммарной погрешности преобразования ИИ, источников наибольших погрешностей и мер по мх уменьшению.

5. Разработка и исследование экспериментального макета трехкоординатной ЛИС с использованием пространственной когерентности света и звука и на его осково изготовление основных функциональных узлов МИС для контроля точности ТО.

Во второй главе проводится теоретическое исследование путей построения трехкоординатных ЛИС длк контроля отклонений от прямолинейности перемещения в пространстве.

В случае падения плоской световой монохроматической вс.тны Е« на плоскую Звгуцуь УЗВ под углом Ч* „, дифракцяс.чньгй с::зк?р волны Sí будет описываться з зиде набор.? плоских ;.<сдк, расярлс-траняюцихся под угла»:: ОС 4ЛА » ~л низ1:";.!:;: различные амп-

литуды ЕД,«1) к частоты (Wo<íiíS2о), где Sí- порядок д^фргхцча. S2о=231» « - круговая частота возбуэдз:ии: УЗБ, £0 ь- .чругогз* частота света, э,„Ш) - функция Eoccoís I-rc ро;;з., l-rc пог-гдуо, Q - амплитуда Фазовой модуляции.

Акустоопткческоо преобразование частоты еззтг г ЛЧС ссчл-вано на фотопреобразовании наложенных друг кг друга пространственных спектров от падающих на АОН двух сватовых волк, якеэтдек различные пространственные частоты, крэтние углу дифрекцик. П.р1? этом на фотопреобразователе Еыделкотся электрический сигнал на

временной частоте, равной разности оптических частот зззикодой-1

ствуюдих световых волн.

Опуская постоянные составляющие сигнала фотопреобразовате-

г-\

ля, и выделяя переменную составдяякух; сигнала на частоте ко, что определяется характеристиками Фстопреобразователя, можно получить выражение для фототока:

" I(t)=I„ SIN [-j{K<Li-Ubffiot.KXa}]. (i)

где le - амплитудное значение фототока; К,К - акустическое и оптическое волновые числа; Li.L* - длины оптических путей езе-товых волн Ei.Ej; Х0 - координата АОВ.

Изменение фазы Д Ч* электрического сигнала I(t), измерен-

нов относительно сигнала модуляции на частоте £2 о. зависит как от разности оптических путей дЬД^-Ьа, так и от изменения дХ координаты Хо просвечивания АОМ:

дччг.Х) = кдь ♦ Кдх. (2)

В случае пространственной дифракционной решетки, образованной двумя взаимно перпендикулярными ультразвуковыми полями, акустооптические преобразователи являются трехмерными преобразователями информации.

На основе проведенных исследований предложен способ измерения пространственных перемещений объекта, заключающийся в том, что когерентное излучение разделяют на измерительный Ей н опорный Е0 потоки. Измерительный поток направляют на объект и Формируют в виде трех световых пучков Ед.Еа.Е», ориентированных так, что один из пучков Ег образует с двумя другими в двух взаимно перпендикулярных плоскостях рапные углы, величина которых обеспечивает пространственное совмещение порядков дифракции этих пучков на периодической структуре, а алгебраическая разность часто? совмещенных в каждой из направлений движения периодической структуры пропорциональна частоте возбуждения периодической структуры в этом направлении (си. рис.).

В прозрачной среде АОМ формируют периодическую структуру, движущуюся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, освещают среду потоками излучения под углом, выбираемый из условия многопорядковой дифракции от каждого излучения.

3 результате оптического гетеродинирования разночастотны» световых волк на выходах соответствующих фотоприемников появляются электрические измерительные сигналы (ЭИС), изменения фаз которых пропорциональны изменению определенной координаты

Е.Х.У,

14<1)=1 «бЬ^Йо!^ ДЧ>(1)+ДЧ>(2)}, (3)

12(1)Л0а1п{£20^Ч'а* д<? <1)3. (ч)

Ь(Ъ=1 «¿тСЙаЬЧ' ДЧ>(Й)}, (5)

Где Ч1 £,4' 5.4' г - начальные фазы ЭИС Ii.Ia.Ii

ДЧ»(г) = КдЕ, дЕ- приращение координаты 2,

ДЧ>(Х> = КдХ .ДЧЧЗ) = Кд¥, ДХ. д¥ - изменения коорди нат X и У АОВ, связанны с перемещением объекта по осям Х,¥ со ответственно.

Таким образом, для измерения координаты Ъ нужно измерят фазу ЭИС 1!, используя в качестве опорного сигнал 1а. Измекеяи

Схема оптического гетеродинирования трех световых пучков общим оптический сигналом в трехкоординатных ЛИС.

v I- пространственная УЗВ, 2,3- излучатели УЗВ по координатам Л и У, 4,5,6 - фотопреобразоваталИр, io - частота возбуждения УЗВ, ОС - хглы дифракции, E1.E2.Ei -измерительные световые пучки, с.о - опорный световой пучок.

©азы ЭИС I«умножают на величину А /ЗГ и получают соответствуюиее изменение дЕ координаты Z. Изменение фазы сигналов Ij.Ii измеряют относительно сигнала электронный генераторов с частотой йо.' уиноаают это изменение на величину А/ ЗТ и получают значение перенесения ^с хоординатаы X.Y. В соответствии с этим цокно производить независимые измерения перемещений объекта в пространстве по трам осяи - X.Y Е.

При описании АОВ сиецаювдхся друг относительно /лруга световых к звуковых полей ложно использовать две модели АОВ:

1) Поперечное смещение аХ лучей Е?. и £г по апертура АОК г. направлении К распространения звука приводи? к кзиэнеииз координаты Хз АОВ к вызывает фазовый сдвиг дифракционных аоркдкоз. дЧ>=сКдХ.

2) Поперечное сыецение дХ лучеЧ tj я Ез по эпертуро AOli »

направлении X распространения звука вызывает смещение фронтов световых волн Е1 и Еа, которое приводит к фазовому сдвигу световых волн, передаваемому в дифракционные порядки: Л Ч> = ткдХатос. При этом координата АОВ остается постоянной,т.к. происходит только поперечное смещение фронтов Е< и Е».

Таким образом, взаимодействие света и звука при многолучевом АОВ обладает свойством трехмерности, а методы оптического гетеродинирования с двумерным акустооптическим преобразованием и пространственной фильтрации позволяют из пространствено-вре-менного спектра оптического излучения выделять информации о перемещениях объекта как вдоль луча, так и в двух ортогональных направлениях.

Разрешающая способность преобразования перемещений в акус-тооптической фазовой ЛИС не одинакова в направлениях Х,¥ и I. Например, для дистиллированной воды разрешающая способность измерения перемещений в направлении звука ниже, чей разрешающая способность в направлении света в А/Л=300 раз.

Предложенный способ повышения разрешавшей способности измерения линейных перемещений в направлении УЗВ заключается в том, что в цепи обработки ЭИС создают обратную связь по фазе с выхода фотоприемника на электрический вход ЛОМ. Способ осуцест-вляется посредством передачи выходного ЭИС, полученного в результате фотоэлектрического смешения двух интерференционных разночастотных порядков дифракции световых волн Еи и Ео, на возбуждение пьезоизлучателя, создающего УЗВ в среде АОМ.

В случае пространственной ультразвуковой периодической структуры (си. рис.), каждую составляющую периодической структуры, ..движущуюся в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей, охватывают обратной связью с временной задержкой, используя в качестве сигнала, управляющего формированием соответ-| ствующей периодической структуры, электрический сигнал, полученный в результате преобразования дифрагированного на этой составляющей периодической структуры измерите^'чого потока излучения.

В результате преобразования смещение объекта по оси, свя-(Занной с направлением движения периодической структуры, приводит к пропорциональному изменению частоты соответствующего электрического сигнала.

Таким образон, предлагаемый в работе метод построения ЛИС

для измерения линейных перемещений основан не фориирозакии акустооптоэлектронной обратной связи (АОС) ло фаза з цепи оЗр*-ботки измерительного сигнала я выаол:;яэ? прзсбрЕЗозазка r.spaus-цения дХ пучка света по ультразвуковой рав^тхе з Ерогорцаскаль-ное изменение частоты этой решетки ДЙ.

Этот метод измерения перемещений сбзодаэ? бо^ыэй рьз^е^а-вщей способностью , по сравнению с ©азовкл цатодоц гчеч- переноса информативного параметра а частоту ЭИС.

Разработанная ММ статической характеристики прбоЗрсссзь'лиг "перемещение - фаза - частота" в ЛИС с АСС при измерен:«! лйкзй-ных перемещений в направлении ультразвука уточняет отатичэсхув характеристику преобразования фазы световых золи s честсту ноп-рерывного ЭИС, полученную в работах Игнатова С.А.,по йсслодогг-нию интегрирующих свойств акустооптоэлектроккой голскчтольной обратной связи.

В соответствии с ИИ ЛИС с АОС представляет собой слодяздл> систему, равновесие которой определяется условием:

Vce ♦ эв ♦ Ч»0 = 0. (6)

где Ч" св, Ч* эв - фаза звукового и светового сигналов в зона АОВ, Ч*о - фазовый сдвиг, вносимый электрической цепью АОС. В зависимости от вида входного воздействия статичесхая характеристика ЛИС с АОС может быть представлена двумя моделями.

Первая - "фаза - частота" - для изменения фазы Д^е» светового сигнала :

а2 = "ЛЧ,<" , (7)

т

где ДЙ - изменение круговой частоты ультразвука (ЭИС); Af -изменение фазового сдвига световых волн; Т=Хс/Уэ» - постоянная времени акустической линии задержки, определяющая чувствительность преобразования "фаза - частота" з ЛИС с АОС.

Во второй модели входное воздействие - перемещение дХ изменяет длину Хо акустической линии задержки, а статическая характеристика преобразования "перемещение - частота" в направлении звука имеет вид:

А£2 = йо—. (8)

дХ»Хо

При достаточно налом отношении дХ/Хо можно считать ха-

рактвристику линейной:

лУ

а2 = 20—= КдК. О)

Яо

. при'этом относительная погреиность нелинейности преобразовании

не прэвкаает значения

а „ = 100%, (10)

Ко

где ДКяак - доайаэок йзмэркекых перемощений.

йяерциониость эде:<тр5;ческой цепи ДОС вносит весомый вклад в статическую характеристику "перемещение - частота". Электра-ц®пь с постоянней эреиош; Хз (электрическая лилия задержки) аоже? быть представлена в гиде акустической линии задержки с длиной акустического пути К».

К» = «СаУ 38 (И)

Б соответствии с (II) статическая перэдаточная характеристика преобразования переведения в частоту ЭИС с учетои постоянной зрзкзиэ электрической цепк ииеет вид:

ая ш а0 "аК (12)

Такик образом, при постоянных значениям » и Хо, коэффициент преобразования 51 обратно пропорционален сйорости УЗВ Узв дяс различных звуковых ср^д.

В соответствии с формулой (9) статической характеристики . прк Хс^8нм к |.=8МГц, коэффициент преобразования перемещений в ЛИС в направлении УЗВ К составит 1КГц/мкм.

Период однозначности статической характеристики (7) для ©езовык сдвигов световых волн дЧ1.,^ (1зТ) соответствует периоду однозначности статической характеристики (II) для измеряемый перемещений дХ»„в = ,(-Л/2) = (-ЮО)мкы.

5 результате теоретических исследований динамических свойств ЛИС с АОС как замкнутой системы автоматического управление с элементом задержки в цепи обратной связи, найдена амплитудно-фазовая частотная передаточная функция N(¿10) звене АОС по отношению к Фазе измерительного интерференционного оптического сигнала.

W(jw) =---— , (13)

l+jw «c-coôU)T+j^ln(A)T

где *C -. постоянная времени фотоприемника. Показано, что звено АОС имеет АФЧХ гребенчатого фильтра по отношению к фазе входного оптического сигнала. Для частот U) входного сигнала Ч* 0«(t) цепь обратной связи с линией задержки действует как интегрнрую-нее звено, если величина U)t приближается справа к точкам 2501 и в этом случав обратная связь положительная. Если величина Uît стремится слева к точкам 2зТП - то звено дифференцирующее. S точках U)t= ЗТ{2П-1) звено является усилительным с коэффициентом усиления 0.5. В соответствии с этим определяются граничные частоты изменения входной величины '-Р а »<"t), соответствуюадо потере информации в системе (точки разрыва АФЧХ).

Переходная характеристика акустооптического преобразователя с обратной связью представляет собой сглаженный ступенчатый ход с уменьшением амплитуды ступеней, определяемой параметрами инерционных звеньев а цепи обратной связи, а также разкераии апертуры светового пучка в зоне ЛОВ.

Метрологический анализ суммарной погрешности преобразования ЛЯС, использующих периодичность звукового поля, показал, что погрешности складываются из двук групп независимых составляющих :

1) погрешностей, обусловленных акустооптичесхии преобразованием частоты,

2) погрешностей, связанных с влиянием внешних факторов и нестабильностью источника излучения.

Среди первой группы погрешностей наибольиее влияние оказывает отклонение скорости распространений ультразвуковых колебаний. Суммарное значение погрешности, приведенной ко входу ИИС от первой группы факторов, не превышает 0.16 мкк.

Среди второй группы факторов наибольшее влияние оказывает нестабильность пространственного положения оси диаграммы направленности (ОДН) лазерного излучения, приводящая к своеобразной погрешности базирования. С увеличением диапазона измерения эта погрешность Увеличивается. Так, при диапазоне измерения L=0.5m, для лазера типа ЛГН-302, погрешность от нестабильности ОДН составляет 3.175 мкн.

Для уменьшения этой погрешности в работе применен наиболее

эффективный метод по стабилизации базы измерения - введение в схему приборе, оптических симкетрируюцих устройств. Описана ЛИС дл$г измерений отклонения от прямолинейности с симметрирующим устройство«.

Третья главе посвящена экспериментальным исследованиям акустооптических ЛИС с фазовым и частотный преобразованием ИИ дхе контроля отклонений от прямолинейности..

Результаты исследований линейности преобразования перемещения з частоту ЭИС показывает, что при доверительной вероятности Р=95% погрешность измерения не превышает значения дК = -0.082 мхи. Это достигается при разрешающей способности на уровне А/1214 и коэффициенте преобразования А=0.387 КГц/ыкь Нелинейность характеристики 8 „, рассчитанная по формуле (10), составила 0.25% при координате АОВ Хо = 32 ми, что соответствует 0.2 ыкм по входу ЛКС.

Проверке адекватности ММ статической характеристики (12) преобразования перемещения в частоту ЭКС реальной характеристике броводилась для различных звуковых сред в широком диапазоне изменения скоростей УЗВ (от 938 до 1642 м/с) при постоянной координате АОВ Хс. Результаты экспериментов к имитационного моделирование чг ЭВК показали хорошую сходимость зависимости коэффициенте преобразования }£=£(У3в)-

Исследования температурной стабильности акустооптпческого преобразование проводились методом сравнительных испытаний ЛИС с фазовьш и частотным представлением ИИ, выполненных по схоме Френеля. Установлено, что температурный баланс в ЛОМ наступает через 3 часа после линейного нарастания температуры со ско-ростьв I "С/час, что приводит к различным фазовым погрешностям АОИ в зависимости от тенпературной стабильности звуковой среды. Приведенные ко вхо,ду температурные погрешности фазовых и частотных ЛИС равны между собой.

Исследования нестабильности ОДН лазерного излучателя и ее влияния на погрешности ЛИС проводились методом сравнительных испытаний по двум схемам: без компенсации нестабильности ОДН и с компенсацией. Результаты измерений записывались самопишущим прибором. Компенсация нестабильности ОДН проводилась предложенным методом симметрирования световых пучков с помощью пен-та-призиы.

Для каждой схемы испытывались фазовый и частотный каналы

преобразования ИИ. В результате исследований выяснено, что погрешности фазового и частотного каналов, приведенные ко входу составили 3.5 мкм на расстоянии 0.5 к. Применение оптического "симметрирующего" устройства позволило уме |ьшить эту погрешность до 0.04 мкм.

В результате проведенного анализа погрешностей установлено, что погрешности ЛИС, использующих фазовое и частотное представление ИИ имеют одинаковую природу и механизм возникновения. Приведенные ко входу с помощью статических характеристик преобразования, систематические составляющие величины погрешностей преобразования фазового и частотного каналов равны между собой.

Четвертая глава посвящена разработке и исследованию основных узлов многофункциональной ЛИС для контроля ТО.

Описаны разработанные акустооптические устройства для контроля линейных перемещений и отклонений от. прямолинейности в пространстве, реализующие способ измерения пространственных перемещений объекта по мере увеличения их функциональных возможностей .

Приведены структурные схемы фазовых одно-, двух- и трехко-ординатных гетеродиных ЛИС для измерения линейных перемещений в направлении ультразвука при контроле отклонений от прямолинейности. В качестве сигналов рассматриваются полные фазы измерительных сигналов (оптических, электрических, акустических).

Одинаковая разрешающая способность фазового и частотного метода измерений линейных перемещений в направлениях света и звука позволяет совмещать эти методы в ЛИС для контроля линейных перемещений и отклонений от прямолинености. При этом изменение частоты одного ЭИС связано с отклонением от прямолинености. а изменение фазы другого ЭИС относительно первого ЭИС пропорционально линейным перемещениям.

Метрологические испытания трех ЛИС, разработанных при участии автора проведены в термоконстантной лаборатории на компараторе БВ-2035. Показания ЛИС сравнивались с показаниями образцового прибора HP 5528А фирмы "Hßjlett - PdCKGZCl". Основная погрешность поверяемых ЛИС не превысила 0.3 мкм на длине 500 мм.

Для устранения погрешностей измерения, вызванных непрямо-линвйностьг движения каретки компаратора, на котором проиэводи-лигь испытания, проведены измерения отклонений от прямолиней-

.юсти движения каретки о двух ортогональных плоскостях лазерный интерферометром. По отклонениям от прямолинейности были скорректированы результаты измерений линейных перемещений с помощью разработанного программного обеспечения. В результате коррекции, предел допускаемой основной погрешности уменьшился.

Результаты*работы входят в состав ЛИС для станков субмик-ронкор. точности ИИ-356, внедряемого при участии автора на Московской завода илкфовальных станков "МСЗ" с ориентировочным экономический эффектом 60 тыс. руб. в год.

В г.рмлояаниу! представлены: программное обеспечение и результаты экспериментальных исследований статических характеристик преобразования перемещения в частоту ЭИС; результаты статистической обработки экспериментальных данных; программа расчете погрэиностей триппель-призны; протоколы испытаний ЛИС и основные результаты внедрения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Мкогокоординатность современного ТО вызывает необходимость контроля объемной точности, складывавшейся из точности линейных и ортогональных перенесений. Одновременное измерение линейных и ортогональных перемещений позволяет устранить погрешность выставления -пуча по линии измерения, свойственной всем высокоточные лазерный методам измерения перемещений.

2. Многолучевое АОБ ¿штерференциоинык оптических сигналов с пространственной акустической реаеткой и совмещенное геторо-динирование трех измерительных сигналов обвды оптическим сигналом позволяет реализовать преобразование "пврецощение - фаза" по трем ортогональным координатам одновременно и служит основой для построения трехкоординатных ЛИС.

3. Увеличение разрешающей способности измерения перемевд -нвй в направлении звука возможно путем формирования АОС с выхода фотоприемника на электрический вход АОМ за счет переноса информативного параметра в частоту ЭИС. В зависимости от вида входного воздействия ЛИС с АОС осуществляет преобразования: "фаза - частота ЭИ£" иле "перемещение - частота ЭМС" .

Согласно уточненной статической характеристике преобразования "фаза - частота" изменение круговой частоты ЭИС пропорционально изменению фазового сдвига световых волн с противоположным знаком и обратно пропорционально времени задержки цепи

АОС.

5. Статическая характеристика преобразования перенесения в частоту ?'ЛС квазилинейна и ножот быть представлена с допустимой погрешностью как равенство относительных приращений координаты АОВ и частоты ЭИС с противоположный знаком.

6. Статический коэффициент преобразования перемещения в частоту ЭИС зависит от следующих параметров цепи АОС; координаты АОВ, постоянной времени электрической цепи, начальной частоты возбуждения и скорости УЗВ, расстояния от АОН до фотоприемника.

7. Лкустооптический преобразователь с АОС выполняет функции гребенчатого фильтра, который на частотах, близких к О, производит интегрирование входной величины - фазы сзетозого сигнала. Для частот входного сигнала, близких к точкаи разрыва ЛЧХ происходит потеря измерительной информации.

8. Основными источниками погрешности преобразования перемещения в частотных и фазовых акустооптических ЛИС з направлении звука являются нестабильности скорости УЗВ и положения ОДН. Уценьиение первого фактора возможно применением акустических сред минимальным температурным коэффициентом скорости звука , а уменьшение второго - применением симметрирующих оптических схем.

9. Результаты экспериментальных исследований показывают возможность практической реализации ЛИС с дискретностью отсчета на уровне Л/1200 в направлении звука, что соответствует 0.16 vkm в диапазоне -0.25 мм.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Пути построения многопараметровых информационно-измерительных систем в ГПС на основе лазерных измерительно-вычислительных комплексов. (В соавторстве)//Разработка и внедрение гибких производственных систем для механической обработки: Тез.докл.конф.- Омск.1987.-с.18.

2. Лазерная ИИС. (В соавторстве)//Применение лазеров в науке и технике:Тез.докл.конф.-Омск,1988.

3. Построение трехмерных лазерных измерительных систем для контроля линейных перемещений .(В соавторстве)//Применение лазеров в науке и технике:Тез.докл.конф.-Омск,1990.-е.38- 39.

4. Гетеродинный акустооптический метод измерения линейных

смещений с частотным преобразованием. (D соавторстве)//Лазе-ры в приборостроении и машиностроении:Тез.дока.конф.-Пенза, 1990,- с.6-?.

5. Гетеродинный акустооптический метод измерения смещений энергетического центра лазерного излучения с частотным преобразованием. (В 'соавторстве)// Фотометрия и ее метрологическое обеспечение: Тез.докл. 8 Всесоюзной научно-технической конференции .Москва,ноябрь 1990г.-Н.,1990.-е.228.

6. A.C. 146403? (СССР), ИКИ G 01 В И/00. Лкустооптичес-кое устройство для измерения отклонений от прямолинейности. (В соавторстве) //Опубл. в Б.И.-1989, № 9. •

7. A.C. 1605692 (СССР), МКИ Goi В 11/00. Устройство для контроля прямолинейности. (В соавторстве)

8. A.C. I6I0252 (СССР). МКИ G 01 В Il/ОО. Способ измерения пространственного перемещения объекта. (В соавторстве)/ / ОпуСл. в Б.И. -1990, К 44.

9. Положительное решение по заявке Ii 4651133/28. Акустооп-тическое устройство для измерения смещений. "(В соавторстве). Приоритет 13.02.89..Решение о выдаче A.C. от 21.04.87 г.

10. Положительное решение по заявке (4 4710084/28. Интерферометр для измерения отклонений от прямолинейности. (В соавторстве). Приоритет 26.06.89..Решение о выдаче A.C. от 28.06.90 г.

11. Положительное решение по заявке № 4804224/28. Устройство для измерения отклонений от прямолинейности. (В соавторстве). Приоритет 07.02.90..Решение о выдаче A.C. от 28.12.90 г.

12. Положительное решение по заявке )b 4816509/28. Способ измерения смещений объекта. ( В соавторстве) //Приоритет 19.04.90..Решение о выдаче A.C. от 28.03.91 г.

13. Разработка методики построения информационно-измерительных систем ГПС и лазерного информационного измерительно-вычислительного комплекса для контроля точности технологических модулей ГПС: Отчет о НИР/Мосстанкин; Руководитель Телешевский В.И,- № ГР01.86.0018516 - М.,1988.

14. Расширение функциональных возможностей лазерных измерительно-вычислительных комплексов для контроля точности технологических модулей ; Отчет по НИР/Мосстанкин; Руководитель Телешевский В.И. - й ГР 01.90.0041555 - М., 1990 '