автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка автоматизированных пьезоприводных средств определения метрологических характеристик приборов размерного контроля деталей в микрометрическом диапазоне

003486355

На правах рукописи

Вишнеков Алексей Владленович

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ПЬЕЗОПРИВОДНЫХ СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКГЕРИТИК ПРИБОРОВ РАЗМЕРНОГО КОНТРОЛЯ ДЕТАЛЕЙ В МИКРОМЕТРИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ

Специальность 05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

- 3 ДЕК 2009

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2009

003486355

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и

информатики

Научный руководитель: кандидат технических наук, доц.

Николаев Ю.Л.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Лысенко К Г.

кандидат технических наук Мещеряков В. В.

Ведущая организация: ОАО «НИИ измерения»

Защита состоится 22 декабря 2009 в 1200 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.119.01 Московского государственного университета приборостроения и информатики ш адресу: 107996, Москва, ул. Стромынка, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПИ.

Автореферат разослан 19 ноября 2009

Ученый секретарь диссертавдонного Совета Д 212.119.01 доктор технических наук, профессор

Филинов В. В.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность темы

Перспективным направлением развития эталонной техники в области измерений размеров и перемещений является создание автоматизированных средств калибровки (АСК) приборов размерного контроля деталей, обеспечивающих определение их метрологических характеристик методом прямого воспроизведения перемещений на входе приборов по сигналу управления с нормированной точностью при высокой разрешающей способности Применение АСК в качестве рабочих эталонов, а также средств проверки параметров настройки приборов размерного контроля, позволит создавать высокопроизводительные автоматизированные поверочно-настроечные комплексы с использованием управляющих ЭВМ и микропроцессоров.

Наиболее актуальной является проблема создания АСК для приборов размерного контроля с диапазоном измерений от ± 3 мкм до ± 0,1 мм и нормированной основной погрешностью, составляющей десятые доли мкм. В соответствии с метрологическими нормами погрешность воспроизведения микроперемещений при определении метрологических характеристик приборов размерного контроля не должна превышать десятых, а в отдельных случаях и сотых долей мкм. С учетом дополнительных требований к линейности, плавности и равномерности воспроизведения микроперемещений возникают значительные трудности технической реализации автоматизированных средств, отвечающих перечисленным требованиям.

Одним из приемлемых технических решений проблемы автоматизации воспроизведения перемещений в микрометрическом диапазоне является создание АСК, выполненных на базе аналогового пьезопривода Вместе с тем, имеется ряд факторов, ограничивающих точность и воспроизводимость микроперемещений посредством пьезопривода. Принципиальным предложением по улучшению метрологических характеристик пьезопривода является его оснащение эталонным обратным измерительным преобразователем микроперемещений. Однако, вопросы создания АСК на базе пьезопривода с обратными измерительными преобразователями требуют дальнейшего изучения, налравлгнного на разработку эффективней структуры системы управления АСК и ошимизацию параметров ее элементов.

1.2. Современное состояние проблемы

Действующие методики градуировки и поверки (калибровки) средств измерений размеров и перемещений с ценой деления шкалы от 1,0 мкм и более основаны на прямом измерении изменения размеров, воспроизводимых эталонными мерами с шагом дискретности 10 мкм. Для средств измерений с ценой деления шкалы 0,1; 0,2; 0,5 мкм применяют метод сличения показаний поверяемого и эталонного средств измерений путем одновременного воспроизведения на их входах изменения размера эталонными мерами более высокого разряда с шагом дискретности 1,0 мкм. Градуировка участков шкалы в пределах 1,0 мкм производится простым делением длины участка шкалы между оцифрованными метками. Необходимость применения набора мер чрезвычайно ограничивает производительность градуировочно-поверочных операций, делает их трудоемкими и требует высокой квалификации поверителя.

Не менее проблематичными являются вопросы настройки, а также проверки параметров настройки средств контроля размеров (приборы допускового контроля, контрольно-сортировочные устройства, приборы активною контроля). Настройка средств контроля производится, главным образом, с помощью аттестованных образцов контролируемых деталей, а проверка параметров настройки - плавным двунаправленным контролируемым изменением размера на входе средства контроля. В последнем случае

для воспроизведения изменения размера применяют клиновые приспособления, что в силу их механического устройства не снимает проблему низкой производительности. Кроме того, погрешность воспроизведения микроперемещений ограничена пределами ± 0,5 мкм, что в ряде случаев не достаточно для выполнения требований к достоверности полученных результатов.

Повышение производительности и достоверности поверочно-настроечных операций в микрометрическом диапазоне связано с решением проблемы автоматизированного воспроизведения перемещений с требуемой точностью и разрешающей способностью. Техническое решение проблемы заключается в создании высокоточного автоматизированного привода микроперемещений. Анализ метролэгических требований и технических возможностей их реализации показывает, что наиболее приемлемым решением является создание АСК на базе аналогового пьезопривода линейных микроперемещений. Исполнительные элементы пьезопривода выполняются из многослойной пьезокерамики и при соответствующем выборе типоразмера и количества пьезоалементов обеспечивают требуемый диапазон перемещений.

Высокая разрешающая способность пьезопривода, повторяемость характеристик преобразования при неизменных условиях их определения, обусловленные физической сущностью обратного пьезоэффекта, относительная простота и удобство управления с помощью электрического сигнала являются благоприятными факторами автоматизации воспроизведения микроперемещений. С другой стороны, имеется ряд фактор® 01раничивающих возможность применения пьезопривода для рассматриваемых целей. К их числу относятся нелинейность и многозначность статической характеристики преобразования, явление ползучести пьезокерамики, выражающееся в медленном изменении первоначально установившегося значения в течение нескольких минут, а так же временная нестабильность параметров пьезоэлементов. Именно по этой причине до настоящего времени пьезопривод не нашел своего применения для высокоточного воспроизведения микроперемещений.

1.3. Цель работы и задачи исследования

Цель данной диссертационной работы — повышение производительности и достоверности операций определения метрологических характеристик приборов размерюго контроля геометрических параметров деталей путем создания высокоточных АСК, выполненных на базе аналогового пьезопривода, конструктивно совмещенного с эталонным обратным измерительным преобразователем микроперемещений. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• экспериментальное исследование и математическое моделирование статических характеристик пьезоприводных АСК;

• теоретическое исследование и оценка погрешности воспроизведения

микроперемещений в позиционных режимах работы АСК;

• разработка математических моделей динамических характеристик пьезопривода АСК и исследование его динамического качества;

• разработка алгоритмического обеспечения для имитационного моделирования и исследования полных характеристик преобразования «управляющее напряжение - перемещение подвижного звена механизма»;

• разработка типовых конструкций исполнительных механизмов АСК с многослойными пьезокерамическими элементами и обратным преобразователем;

• разработка структурных схем построения АСК с обратным каналом компенсации ошибки;

• анализ и синтез параметров системы управления;

• разработка типовых моделей ACIC, методики расчета и проектирования параметров их элементов.

1.4. Методы исследования

В работе использовались экспериментальные и теоретические методы исследования, а также метод имитационного моделирования.

Теоретическое исследование базировалось на методах интегральных преобразований, численных методах решения дифференциальных уравнений, методах анализа и синтеза теории автоматического регулирования. При обработке экспериментальных данных и оценке погрешностей использовались методы математической статистики и теории вероятностей.

1.5. Научная новизна работы

• Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность автоматизированного воспроизведения микроперемещений с погрешностью не более 0,1 мкм при разрешающей способности 0,01 мкм на основе создания пьезоприводных АСК с обратным каналом компенсации ошибки перемещения.

• Разработаны адекватные математачгские модели разомкнутых и комбинирсванных структур системы управления АСК в форме:

- системы линейных дифференциальных уравнений с многозначной статической нелинейностью;

- передаточных функций с замещением отклонений от линейности эквивалентными возмущающими воздействиями.

• Разработано алгоритмическое обеспечение для имитационного моделирования и исследования полных характеристик преобразования «управляющий сигнал - микроперемещение».

• Получены аналитические выражения для оценки погрешности воспроизведения микроперемещений посредством аналогового пьезопривода.

• Разработаны структурные схемы построения АСК, содержащих канал управления по задающему воздействию и канал компенсации ошибки между задающим воздейлвием и выходным перемещением подвижного звена.

• Разработана методика расчета, оптимального выбора параметров элементов и системы управления АСК

1.6. Практическая ценность заключается в следующем:

• Разработаны типовые конструкции исполнительных механизмов ACIC, обеспечивающих микроперемещения в пределах до ±0,5 мм. Определены технические требования к геометрической точности размеров и взаимного расположения элементов исполнительного механизма, обеспечивающих высокую воспроизводимость и разрешающую способность микроперемещений;

• разработаны модели автоматизированных средств калибровки АК-1, АК-2, предназначенные для определения метрологических характеристик приборов размерного контроля в микрометрическом диапазоне;

• разработаны рекомендации по расчету и проектированию элементов АСК, а так же расчету параметров системы управления АСК;

• разработаны рекомендации по поверке, калибровке и проверке параметров настройки приборов размерного контроля.

1.7. Реализация работы

Разработанные типовые конструкции исполнительных механизмов внедрены на операциях калибровки средств контроля микрожремещений в НИИ «ЭЛЛА». Предложенные методики расчета и проектирования элементов автоматизированных средств калибровки использованы в учебном процессе ГОУ ВПО МГУПИ на кафедре «Метрология, сертификация и диагностика».

1.8. Апробация работы

Материалы диссертации представлены в сборнике тезисов докладов на Международной молодежной научной конференции НОЕМВРИ-1989 (Варна, 1989 г.), в сборнииг тезисов докладов на Всесоюзной конференции «Современные проблемы физики и ее приложений» (Москва, 1990 г.), в сборнике тезисов докладов на Международной научно-технической конференции «Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем» (Пенза, 1992 г.), в сборнике научных трудов межвузовской научно-технической конференции «Фундаментальные основы создания наукоемких и высокотехнологичных приборов» (Москва, 1997), в сборнике тезисов докладов 6-го Всероссийского Совещания-семинара «Инженерно-физические проблемы новой техники» (Москва, 2001), в сборнике научных трудов X МНПК «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и эюномики» (Москва, 2007 г).

Результаты работы доложены и одобрены на научно-технических семинарах в МГУПИ, МНПО «Спектр», ВНИИМС. Технические решения защищены 3-мя авторским! свидетельствами.

1.9. Основные положения, выносимые на защиту:

• результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик преобразования пьезопривода АСК;

• алгоритмы оценки погрешностей воспроизведения микроперемещений;

• обоснование структурных схем построения АСК комбинированного принципа действия с обратным каналом компенсации ошибки;

• методики расчета и проектирования элементов конструкции и системы управления АСК;

• результаты экспериментальных исследований точностных возможностей разработанных моделей АСК.

1.10. Публикации

По материалам выполненной диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 2 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

1.11. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Она содержит 138 страниц основного текста, 48 рисунков, 19 таблиц, список литературы из 101 наимгнования и приложения на 16 страницах.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, излагаются цель и основные задачи исследования.

Первая глава диссертации посвящена анализу проблемы создания автоматизированных средств калибровки приборов размерного контроля в микрометрическом диапазоне. Рассмотрены объекты, методы и эталонные средства метрологического обеспечения операций градуировки, настройки и поверки в диапазоне микрометрических измерений 0,1-100 мхм. Выполнен анализ требований к метрологическим характеристикам эталонных средств измерений. Показано, что погрешность воспроизведения микроперемещений существующими методами и средствами ограничена пределами ± 0,5 мкм при низком уровне автоматизации.

В настоящге время при проведении контрольно-измерительных операций в микрометрическом диапазоне используется большое число разновидовых средств контроля и измерений размеров и перемещений механического, оптико-механического, оптико-электронного и электронного принципов действия с ценой деления шкалы от 0,1 мкм до нескольких мкм. Операции настройки, градуировки, поверки перечисленных средств контроля и измерения размеров и перемещений проводятся посредством плоскопараллельных концевых мер длины, а также механических механизмов перемещений, обеспечивающих изменение размера. Для повышения достоверности воспроизводимые перемещения измеряются высокоточными эталонными средствами. Ограничивающими факторами повышения достоверности являются низкая разрешающая способность воспроизведения микроперемещений, не превышающая + 0,5 мкм. Производительность поверочно-настроечных операций ограничена низким уровнем автоматизации воспроизведения микроперемещений.

Одним из перспективных направлений является применение автоматизированного привода, воспроизводящего изменение размера. При этом наилучшей разрешающей способностью по сравнению с электрическими и электромагигтыми приводами обладает пьезопривод, выполненный на базе многослойных пьезокерамических элементов. Кроме того, пьезопривод обладает высоким быстродействием и при соответствующем выборе типоразмера и количества многослойных пьезоэлементов, диапазон микроперемещений может составляют от долей мкм до 1 мм. Вместе с тем, из-за нелинейности и неоднозначности статической характеристика пьезоэлементов, явления ползучести и временной нестабильности пьезомодуля пьезокерамики использование пьезопривода в качестве эталонной многозначной меры микрожремещений не представляется возможным. Для решения проблемы обеспечения точности и воспроизводимости в ряде работ предлагается оснащение пьезопривода обратным измерительным преобразователем и создание на этой базе замкнутой системы управления по отклонению. При этом серьезные противоречия возникают между попыткой увеличения коэффициента усиления, как фактора точности, линейности и стабильности и устойчивостью замкнутой системы.

Теоретические попытки обеспечения абсолютной устойчивости при бесконечно большом коэффициенте усиления практически не могут быть реализованы.

Альтернативой классичгской замкнутой системы является создание комбинированных систем управления, содержащих основной контур управления и контур компенсации ошибки между задающим воздействием и воспроизводимыми микроперемещениями. Данный подход является наименее изученным в проблематике синтеза высокоточных и стабильных систем микроперемещений.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию, моделированию и расчету характеристик преобразования структурных элементов и системы управления автоматизированных средств калибровки приборов размерною контроля.

Статическая характеристика преобразования аналогового пьезопривода у - Ф(х), смоделирсванная по результатам экспериментальных исследований, где у — перемещение подвижного звена, х - значение электрического напряжения, приложенного к обкладкам пьезоэлементов, представляет собой «поле нелинейностей» (рис. 1) и идентифицируется на основе следующих преобразований:

у0 (х) = В0х + + Д,*3

где Во, С0 > 0;0о<0;р4<-Сд/3 О0.

(1)

ЛМ = Г 'Ч 2

(2)

где х,, у, - координаты точки переключения 1 на рис. 1; для второго и последующего переключений

УАХ)~ [-■*+(*/+ лм )]+0*1 +>ы ) = [- Л *+<Л + )] + (У, - )>' = 2/, х, < х й * = | Л [•* -(*, -х,)]+(У, -У\),' = У +1,¿х<х, [.У 1-1 (х), х > х,_,, I = 2/; х < х,_,, г = и+1

где /-номер переключения, х,,у1—координаты /-ой точки переключения, у = 1,2...и.

(3)

К.М

Рис. 1. Начальная и частные петли гистерезиса

Уравнение (1) описывает положительную (х ^ 0) или отрицательную (х < 0) ветви начального участка статической характеристики. Преобразование (2) служит для определения коэффициентов уравнения боковой ветви у, (х) = А[ + В^ + С,*2 + Цх3 через коэффициенты начальной кривой у0(х) при переключении (изменении знака приращения х) в произвольной точке л,, у, кривой (х). При этом устанавливается правило перехода с ветви >',(*), если отображающая точка выходит за пределы области определения функции у,(х). Преобразован® (3) позволяет определить коэффициенты уравнения любой ветви статической характеристики, образующейся после второго или

последующих переключений, а также устанавливает правило перехода с /-го участка при выходе отображающей точки за пределы области определения функции у, (х).

В работе приведен пример расчета статической характеристики пьезопривода при изменении электрического напряжения по заданном)' алгоритму. Даны аналитические оценки погрешности воспроизведения перемещений для произвольной последовательности изменения управляющего напряжения и однопозиционного режима управления с предварительным переводом отображающей точки в начало координат. В первом случае граница погрешности воспроизведения перемещения в относительном выражении определяется по формула (4):

гЫ=ж„.2!Й

УоСО Уо(х\)

(4)

Результаты расчета представлены графикам, показанным на рис. 2.

га га

гч л? кг а а

V 2

у

х„В

Рис. 2. График зависимости относительной погрешности воспроизведения перемещения от напряжения

Для однопозиционного режима управления пьезоприводом граница погрешности воспроизведения перемещения определяется из выражения:

¿(х) =

тах

X,

УМ)

(5)

При этом погрешность воспроизведения перемещения составляет менее 10 %.

Выявлены свойства функции чувствительности пьезодвигагеля и рассчитаны ее значения. Показано, что независимо от точки переключения начальное и последующие значения чувствительности идентичны для всех ветвей статической характеристики.

Динамические свойства пьезодвигателя, предназначенного для работы в режиме позиционирования, описываются системой дифференциальных уравнений:

Т22у, (/) + 2^Т2у1 (0 + У, (0 = ф(0];

т3у(1)+ у(0 = мЦу\(()+У,{!), Ц< 1,

где и(1) - входной сигнал от источника управляющего напряжения, х(1) - электрическое напряжение на обкладках пьезоэлементов, у,{1) — первичное перемещение, обусловленное деформацией пьезоэлементов, у(1) - результирующий процесс перемещения подвижного звена пьезодвигателя с учетом поляризующего влияния управляющего электрического поля.

Первое уравнение системы (6) отражает инерционные свойства пьезодвигателя как емкостной нагрузки, подключенной к выходу источника управляющего напряжения, где Т\ = КС, Я — выходное сопротивление источника, С - элеетроемкость пьезоэлементов. Второе уравнение описывает колебательные свойства пьезодвигателя как одномассовой системы с одной степенью свободы. При этом, с учетом низкого демпфирования < 0,1), постоянная Тг определяется по упрощенной формуле Т2 = 1/2я-/р, где /р - резонансная частота. Третье уравнение системы (6) предназначено для учета ползучести пьезокерамики. Постоянная Гз составляет около минуты, а дополнительное перемещение, вызванное ползучестью пьезокерамики, достигает 10 % от пе{воначального перемещения.

Исследование динамических свойств пьезопривода проведено методом имитационного моделирования с помощью специального алгоритма.

В результате исследованы характеристики переходного процесса. Как показали результаты исследования, при низкой степени демпфирования системы переходные процессы носят нежелательный колебательный характер и характеризуются значительной продолжительностью, обусловленной явлением ползучести. Обеспечение монотонности переходных процессов достигается выбором постоянной времени Т\, соответствующие значения которой приведены в работе.

С целью повышения точности, производительности, автоматизации режима управления синтезированы комбинированные структуры системы управления АСК, содержащие канал управления по задающему воздействию и канал компенсации ошибки между задающим воздействием и воспроизводимым микроперемещением. При этом предлагается два подхода к построению структуры АСК компенсационного принципа действия.

Первая структура (рис. 3) связана с компенсацией ошибки по входу системы посредством интегратора, выходной сигнал которого суммируется с задающим сигналом.

Рис. 3. Функциональная схема АСК с компенсацией ошибки по входу: ЗУ - задающее устройство; ИНТ - интегратор; УН - усилитель напряжения; ПД -пьезодоигатель; ИП - измерительный преобразователь; ЦИ - цифровой индикатор; х -задающее воздействие; .у - перемещение подвижного звена, е- сигнал ошибки.

Вторая схема (рис. 4) связана с созданием комбинированной компенсационной системы, в которой перемещение выходного звена является суммой деформации пьезоэлементов основного и компенсирующего пьезоприводов, собранных в один пакет. Управление компенсирующим пьезоприводом осуществляется посредством интегратора.

ЗУ

УН0-

ЦП

ип

Рис. 4. Функциональная схема АСК с компенсацией ошибки на выходе: УНо, ПДо - элементы основного канала; ИНТ, УНк, ПДк - элементы компенсационного канала.

Исследование устойчивости и точности позиционирования проводилось на основе анализа передаточных функций линейной части замкнутой системы (таблица 1),

Таблица 1

Передаточная функция Схема компенсации по входу Схема компенсации по выходу

1. По задающему воздействию х(1) Щр)(.тр+1) тр+}Г(р) тр\У0(р) + 1Ук(р) тр + Гк(р)

2. По ошибке ¿(0 от задающего воздействия тр(\-Щр)) тр + IV (р) тР(\-№0(Р)) ТР + ^ЛР)

3. По возмущающим воздействиям/1,./з тр тр

тр + 1У(р) тр + Кгх(р)

4. По возмущающему воздействию^ Щр) К

гр + Щр) тр + гк(р)

где г - постоянная времени интегратора; Щр), 1Уо(р), ^к(р) - передаточные функции звена УН-ПД вида:

щв) =_/'гзР+'__т

(Т1Р + 1)(Т22Рг +2£Г2р+1)(Г3/>+1)'

полученные интегральным преобразованием уравнений (6). Отклонения от линейности характеристики ПД замещались эквивалентными возмущениямиприложенными к выходу системы, а систематические погрешности ИП - эквивалентным возмущением _/£, приложенным к входу системы.

Исследование устойчивости проводилось по характеристическому уравнению системы методом Гурвица. При этом определялись области значений варьируемых параметров системы - постоянных времени Т\ и г, соответствующих устойчивому режиму работы, что позволило построить границу области устойчивости в плоскости параметров К = 1/г и Т\. На рис 5 изображена граница области устойчивости для наиболее инерционного пьезодвигателя.

/

т2= иг* /

/

к 5,%

2000 4

1500 3

1000 2

500 1

К=Ю

К = 50 ^

\

(^Т,) -5 -4 -3 -2 -1 Рис. 5. Граница области устойчивости

• 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 ^ с

Рис. 6. Зависимость погрешности позциони-рования от времени в переходком процессе

Результирующий переходной процесс замкнутой системы при ступенчатом изменении управляющего сигнала содержит две группы составляющих - быстро затухающие (за сотые доли секунды) и медленно затухающие, обусловленные постоянной времени 7У Для быстро затухающих составляющих применение формальной подстановки в передаточные функции р = 0 дает равенство нулю ошибки как от задающего воздействия, так и от постоянных возмущений /\, /¡, При этом систематические погрешности ИП передаются на выход «один к одному». Что касается медленно меняющихся составляют« переходного процесса, то имеющие место ошибки анализировались при ограничениях на длительность <„ процесса регулирования в зависимости от значений К. Результаты исследований относительной погрешности позиционирования 3 в зависимости от . при различных значениях К представлены на рис.6.

В частности, при ограничениях на длительность процесса регулирования /„ ^ 0,5 с при К> 10 значение 3менее 0,1 %. Следует отметить, что для второй схемы („ меньше, чем для первой схемы, так как постоянные времени компенсационного канала в несколько раз меньше постоянных времени основного канала.

Совместный выбор значений параметров системы Т\ и К с учетом рассмотренных выше ограничений определялся требованием обеспечения монотонности переходного процесса. При этом оптимальные значения Т\ и К определялись по результатам имитационного моделирования. В работе показано,что при Т\= Ю"3... 10"2 с нК= 10...50 имеет место монотонный переходный процесс.

В третьей главе представлены результаты разработки АСК и их элементов. На рис. 7,8 показаны типовые схемы конструкций исполнительных механизмов.

Расчет основных характеристик исполнительных механизмов выполняется по формулам, представленным в таблице 2,

Таблица 2.

Тип пьезо двигателя Многослойный Биморфный

Диапазон перемещения, мкм. (и = ±500 В) (г2 Л 5, = 1,5^ГЛ(/31 ~ (1 + и/и0р И )

Собственная частота, Гц. 1 1 фи-^Узз А 1 2УпЬЩ

4тгуд/(т0 +0,382^от„) м п 1 \ 1 ■ (т0 + 0,243д'т„)

где Ки - коэффициент кинематдаеских потерь перемещений в конструкции; <1п -

значение пьезомодуля (для состава ЦТС = (0,6...0,7)10"3 мкм/В); //-числопластин в

пьезопакете; <7 - количество пьезопакетов в двигателе; £/„ = 600 В - нормированное

значение диапазона изменения напряжения (пределы изменения ± 300 В); ¿¡п = 0,45^35;

Узз - модуль упругости материала керамики (У33=(46...66)-109 Н/м2 - для пьезокерамики

состава ЦТС); т0, т„ ~ масса подвижного штока и пьезопакета соответственно;

Уи а 1,3/33; ?' - количество бнморфных пьезоэлеменгов в двигателе; т„ = /ЛЬ2к - масса

пьезоэлемента, р - плотность пьезокерамики (р = 7,4... 7,6)-103 кг/м3, £>я> Евн - наружный и внутренний диаметры полого цилиндрического пьезопакета; I - высота отдельного пьезопакета; Ь,Ь,к- длина, ширина и толщина биморфюго пьезоэлемента.

Рис. 7. Электромеханический исполнитель-, Рис. 8. Механизм с биморфными пьезоэле-ный механизм с многослойным пьезопакетом: ментами: 1 - корпус; 2 - биморфный ПД; 1 - корпус; 2 - пьезопакет; 3 - шток (подвиж- 3 - направляющий шток (подвижный эле-ный элемент); 4 -измерительный стеряень; мент); 4-измерительный стержень; 5-ин-5 - индуктивная катушка; 6-пружина; дуютвная катушка; 6 -упругий элемент,

7 - верхняя крышка; 8 - нижняя крышка. .7 - держатель ПД 8 - верхняя крышка;

9- шариковые направляющие; 10 - сепаратор; И - нижняя крышка.

Нагрузочная способность многослойного пьезодвигателя не менее 100 Н. Максимальная нагрузка на биморфньй пьезодвигатель ограничена 20 Н.

В работе приведен расчет параметров исполнительного механизма с многослойным пьезопакетом с диапазоном перемещений ± 60 мкм, а так же биморфного пьезодвигателя на диапазон перемещений ± 0,3 мм.

В качестве усилителя напряжения отработаны дифференциальные схемы регулирования выходного напряжения, обеспечивающиг изменение управляющего напряжения в пределах ± 500 В с коэффициентом усиления К= 100 при выходном сопротивлении до нескольких кОм. В качестве обратного измерительного преобразователя микроперемещений в конструкции исполнительного механизма использованы дифференциальные индуктивны; катушки, серийно выпускаемых индуктивных измерителей микроперемещений. Обработка измерительного сигнала, полученного от катушек, проводится по известной схеме фазового или амплитудного детектирования «пиала с выходом на АЦП и цифровой индикатор микроперемещений. Задающее устройство выполнено в виде трехскоростного интегратора на базе операционных усилителей. Параметры системы управления выбраны с учетом проведенных теоретических исследований.

В итоге разработаны две типовые модели автоматизированных средств калибровки приборов размерного контроля, выполненных в виде исполнительного механизма и электронного блока управления и индикации воспроизводимых микроперемещений.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований характеристик преобразования элементов, а также точностных возможностей автоматизированных средств калибровки приборов размерного контроля.

Исследования статических характеристик преобразований пьезопривода и исполнительных механизмов, выполненных на его базе, проводились на разработанной установке с применением высокоточного индуктивного прибора для измерения микроперемещений модели 276.

Для повышения разрешающей способности и чувствительности результаты измерений перемещения определялись по выходному электрическому сигналу вторичного измерительного прибора модели 276 с помощью вольтметра В7-35. Чувствительность измерительного прибора как преобразователя перемещение-напряжение имела следующие значения: в диапазоне ± 3 мкм - 0,5 В/мкм, в диапазоне ±155 - 0,1 В/мкм, в диапазоне ± 30 мкм - 50 мВ/мкм, в диапазоне ±150 мкм — 10 мВ/мкм. Погрешность установки чувствительности не превышала ОД %. Управляющее напряжение на пьезопакет подавалось посредством высоковольтного усилителя напряжения с контролем поданного напряжения вольтметром В7-35.

Методика проведения исследований включала обнуление пьезодвигателя перед началом каждого цикла измерения путем подачи на него знакопеременного затухающего сигнала. Далее производилось изменение управляющего сгапала в циклическом режиме 0 - Umax; Umax - 0; О - IW, Umax - (-Umax); -Umax - 0: 0 - UmM с измерением выходного сигнала вторичного показывающего прибора для каждого промежуточного значения входного сигнала и пересчетом значений измеренного напряжения в микроперемещение. Кроме того, режимы изменения входного сигнала касались исследования частных петель гистерезиса Полученные экспериментальные зависимости аппроксимировались по результатам многократных измерений методом наименьших квадратов. Модуль ошибки между экспериментальными точками и расчетными по аппроксимирующей функции не превышал погрешности измерений микроперемещений.

Исследование динамических характеристик пьезопривода, в том числе процесса ползучести проводилось путем подачи на вход исполнительного механизма ступенчатых и гармонических воздействий. При этом определены реальные значения параметров динамических характеристик: постоянных времени и коэффициента демпфирования.

Результаты экспериментальных исследований показали адекватность реальных переходных процессов результатам имитационного моделирования этих характеристик на ЭВМ.

Оценка метрологических характеристик разработанных моделей АСК проводилась путем их аттестации в уполномоченных метрологических органах по разработанным программам метрологической аттестации. В результате аттестации модели АК-1 нормированы следующие метрологические характеристики диапазон перемещений ± 60 мкм, цена единицы младшего разряда 0,01 мкм, чувствительность 0,01 мкм/мВ, предел допускаемой основной погрешности воспроизведения микроперемещений в диапазоне ± 60 мкм - 0,2 мкм; ± 18 мкм - 0,05 мкм; ± 3 мкм - 0,03 мкм, измерительное усилие не менее 100 Н Скорость управления выходным перемещением 0,05; 0,5; 5,0 мкм/с.

Метрологические характеристики модели АК-2: диапазон перемещений ± 0,3 мм, цена единицы младшего разряда 0,1 мкм, предел допускаемой основной погрешности воспроизведения микроперемещений 0,2 мкм, измерительное усилие не более 300 сН

Проведенные исследования показали, что основной источник погрешности разработанных моделей АСК - систематическая погрешность измерительного преобразователя, обусловленная нелинейностью его статической характеристики.

В пятой главе рассмотрены вопросы эффективных областей применения автоматизированных средств калибровки приборов размерного контроля. Рассмотрены применение и методики контроля параметров настройки, градуировки и калибровки индикаторных контрольно-измерительных приспособлений, сортировочных командно-аппаратных устройств, датчиков приборов активного контроля, измерительных преобразоватежй микроперемещений. Положительный эффект от применения заключается в повышении производительности поверочных операций, возможности реализации методик определения метрологических характеристик, предусматривающих плавное изменение входного сигнала, снижение зависимости достоверности результатов от квалификации поверителя.

Основные выводы н результаты работы.

1. Экспериментально исследованы и математически описаны статические нелинейные свойства аналогового пьезопривода микроперемещений, выполненного на базе многослойной пьезокерамики, как многозначной нелинейности типа «гистерезис». Выявлены свойства функции чувствителыюсги и рассчитаны ее значения.

2. Даны аналитические оценки погрешности воспроизведения микроперемещений для произвольной последовательности изменения управляющего напряжения и однопозиционного режима управления с предварительным переводом отображаюшрй точки в начало координат.

3. Экспериментально исследован и математически описан процесс ползучести пьезокерамики при воспроизведении микроперемещений, выражающийся в медленном возрастании (уменьшении) первоначально установившегося перемещения в течение нескольких минут на 10 % от первоначально установившегося значения.

4. Разработаны математические модели динамических характеристик разомкнутого пьезопривода микроперемещений в форме системы линейных дифференциальных уравнений с многозначной статической нелинейностью и передаточных функций с замещением отклонений от линейности эквивалентными возмущающими воздействиями,

на основе которых исследованы характеристики переходного процесса, а также частотные характеристики методом имитационного моделирования с помощью специального алгоритма.

5. Разработаны комбинированные структуры системы управления АСК, содержащих основной канал управления по задающее воздействию и канал компенсации ошибки между задающим воздействием и воспроизводимым микроперемещением, посредством интегратора. При этом показаны структурные возможности компенсации ошибки как по входу, так и по выходу комбинированной системы.

6. Получены передаточные функции предложенных вариантов комбинированных систем, на основе которых проведены исследования влияния параметров системы на устойчивость и точность воспроизведения микроперемещений при ограничениях на длительность и качество переходного процесса.

7. Представлены результаты разработки автоматизированных средств калибровки приборов размерного контроля и их элементов. Предложены типовые схемы конструкций исполнительных механизмов с пьезокерамическими исполнительными элементами (многослойный, биморфный), оснащенные встроенным обратным измерительным преобразователем микроперемещений.

8. Даны рекомендации по расчету и проектированию элементов АСК, а так же оптимальному выбору параметров системы управления.

9. В результате экспериментальных исследований подтверждена адекватность разработанных математических моделей реальным характеристикам преобразования системы.

10. В результате аттестации разработанных моделей АСК нормированы следующие метрологические характеристики. Для модели АК-1:

- диапазон перемещений ± 60 мкм,

- цена единицы младпвго разряда 0,01 мсм,

- чувствительность 0,01 мкм'мВ,

- предел допускаемой основной погрешности воспроизведения микроперемещений в диапазоне ±60 мкм - 0,2 мкм; ±18мкм-0,05 мкм; ± 3 мкм - 0,03 мкм,

- измерительное усилие не менее 100 Н. Для модели АК-2:

- диапазон перемещений ± 0,3 мм,

- цена единицы младшего разряда 0,1 мкм,

- предел допускаемой основной погрешности воспроизведения микроперемещений 0,2 мкм,

- измерительное усилие не более 300 сН

11. Даны рекомендации по применению АСК при проведении операций настройки, градуировки и калибровки прибор«® размерного контроля и измерительных преобразователей микроперемещений.

Основное содержаще диссертации опубликовано в работах:

1. Ершов, А.Г. Исследование и проектирование пьезорегуляторов положения с применением ЭВМ [Текст] / Ершов А.Г. Николаев Ю.Л., Вишнеков A.B. // НОЕМВРИ-1989: тезисы докладов Междунар. молодежной науч. конф. - Варна (НРБ): ВМЕИ, 1989. -С. 9.

2. Вишнеков, A.B. Моделирование статической нелинейности пьезоэлементов ¡Текст] // Современные проблемы физики и ее приложений: тезисы докладов Междунар. науч.-технич. конф. -М.: ВИНИТИ АН СССР, 1990. - С. 112.

3. A.c. 1674065 СОСР, МКИ G05D 3/14. Устройство для задания шкроперемещений [Текст] / A.B. Вишнеков, А.Г. Ершов, ЮЛ. Николаев, В.Б. Балансов. - Опубл. 1991, Бюл. № 32.

4. A.c. 1784949 СССР, МКИ G05D ЗЛЮ. Исполнительный механизм микрсперемещений [Текст] / Ю.Л. Николаев, АР. Ершов, В.М. Сапрыкин, A.B. Вишнеков. - Опубл. 1992, Бюл. № 48.

5. Вишнеков, A.B. Программный комплекс моделирования функций пьезоэлектричгских систем [Текст] // Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем: тезисы докладов Междунар. науч.-технич. конф. - Пенза, 1992. - С. 128-130.

6. Николаев, ЮЛ. Численные методы моделирования и исследования статических и динамических характеристик исполнительных пьезоэлементов [Текст] /Николаев Ю.Л. Вишнеков А. В Л Измерительная техника. -1992. - №5. - С. 35-39.

7. A.c. 1798767 СССР, МКИ G05D 3/00. Исполнительный механизм микроперемещений [Текст] / ЮЛ. Николаев, АГ. Ершов, В.М. Сапрыкин, A.B. Вишнеков. - Опубл. 1993, Бюл. № 8.

8. Николаев, ЮЛ. Разработка и исследование многоканальной системы перемещений и позиционирования [Текст] / Николаев Ю.Л., Гноенский Л.С., Вишнеков A.B. // Фундаментальные основы создания наукоемких и высокотехнологичных приборов: научные труды межвузовской науч.-технич.конференц.-М: МГАПИ, 1997.-С. 56.

9. Архангельская, Е.А. Алгоритмы оценивания характеристик погрешностей измерительно-поверочных комплексов с помощью процедуры статистического моделирования [Текст] / Архангельская Е.А., Вишнеков А. В., Николаев ЮЛ., Фирстов В .Г. // Машиностроитель. - 1998. - №11-12. - С. 55.

10. Вишнеков, A.B. Особенности моделирования свойств исполнительных механизмов Микроперемещений на основе пьезокерамических элементов [Текст] // Инженерно-физические проблемы новой техники: матер. 6-го Всероссийского Совещания-семинара. -М.:МГТУ, 2001.-С.25.

11. Лукашкин, В.Г. Автоматизация измерений, контроля и управления. [Текст] / В. Г. Лукашкин, В.К. Гарппов, В В. Слепцов, A.B. Вишнеков. - М.: Машиностроение-1,2005. -663 с.

12. Лукашкин, В. Г. Нормализующие измерительные преобразователи [Текст] / Лукашкин В.Г., Вишнеков A.B. // Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики: научные труды X Междунар. науч.-прак. конф. -М:МГУПИ, 2007.-С. 186-192.

13. Лукашкин, В.Г. Нормирование выходных сигналов первичных преобразователей [Текст] / Лукашкин В.Г., Ефимов П.В., Вишнеков A.B. // Приборы+автоматизация. -2007. -№12,-С 19-21.

14. Вишнеков, A.B. Автоматизированные калибраторы микроперемещений с пьезокерамическими исполнительными элементами [Текст] И Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: труды XVII Междунар. науч,-техн. семинара Алушта 2008. - СПб.: ГУАД 2008. - С. 73.

15. Николаев, Ю.Л. Пьезоприводные калибраторы микрогсремещений с комбинированной системой управления [Текст] / Николаев ЮЛ., Вишнеков A.B., Лукашкин В.Г. // Контроль и диагностика. - 2009. - № 6. - С. 35-39.

ЛР № 020418 от 08 октября 1997 г.

Подписано к печати 16.11.2009 г. Формат 60x84.1/16. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 198.

Московский государственный университет приборостроения и информатики

107996, Москва, ул. Стромынка, 20

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СРЕДСТВ КАЛИБРОВКИ (АСК) ПРИБОРОВ РАЗМЕРНОГО КОНТРОЛЯ В МИКРОМЕТРИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ.

1.1. Объекты, методы и эталонные средства метрологического обеспечения в области микрометрических измерений.

1.2. Анализ пьезоприводных устройств микроперемещений.

1.3. Постановка задач диссертационной работы.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК

ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПЬЕЗОПРИВОДНЫХ АСК.

2.1. Математическое моделирование и исследование закономерностей статических характеристик преобразования.

2.2. Алгоритмическое обеспечение расчета статической характеристики пьезопривода.

2.3. Оценка погрешности воспроизведения микроперемещений в статике.

2.4. Разработка и исследование динамических характеристик разомкнутого пьезопривода.

2.5. Структурный синтез и параметрическая оптимизация системы управления АСК.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ТИПОВЫХ МОДЕЛЕЙ ПЬЕЗОПРИВОДНЫХ АСК ПРИБОРОВ РАЗМЕРНОГО КОНТРОЛЯ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ.

3.1. Устройство и расчет параметров исполнительного механизма АСК.

3.2. Проектирование и расчет параметров элементов электронного блока управления.

3.2.1. Усилители высоковольтного напряжения.

3.2.2. Схема измерительного преобразователя.

3.3. Конструктивное исполнение и управление работой АСК.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ И СИСТЕМЫ.

4.1. Исследование нелинейных свойств статической характеристики пьезодвигателя.

4.2. Исследование и моделирование процесса ползучести исполнительных элементов пьезодвигателя.

4.3. Экспериментальная оценка параметров динамических характеристик исполнительного механизма АСК.

4.4. Экспериментальная оценка и нормирование метрологических характеристик типовых моделей АСК.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ АСК ПРИБОРОВ РАЗМЕРНОГО КОНТРОЛЯ ДЕТАЛЕЙ.

5.1. Разработка рекомендаций по поверке и калибровке измерительных преобразователей микроперемещений.

5.2. Разработка рекомендаций по контролю параметров настройки приборов размерного контроля.

Выводы по главе 5.

Перспективным направлением развития эталонной техники в области измерений размеров и перемещений является создание автоматизированных средств калибровки (АСК) приборов размерного контроля деталей, обеспечивающих определение их метрологических характеристик методом прямого воспроизведения перемещений на входе приборов по сигналу управления с нормированной точностью при высокой разрешающей способности. Применение АСК в качестве рабочих эталонов, а также средств проверки параметров настройки приборов размерного контроля позволит создавать высокопроизводительные автоматизированные поверочио-настроечные комплексы с использованием управляющих ЭВМ и микропроцессоров.

Наиболее актуальной является проблема создания АСК для приборов размерного контроля с диапазоном измерений от ± 3 мкм до ± 0,1 мм и нормированной основной погрешностью, составляющей десятые доли мкм. В соответствии с метрологическими нормами погрешность воспроизведения микроперемещений при определении метрологических характеристик приборов размерного контроля не должна превышать десятых, а в отдельных случаях и сотых долей мкм. С учетом дополнительных требований к линейности, плавности и равномерности воспроизведения микроперемещений возникают значительные трудности технической реализации автоматизированных средств, отвечающих перечисленным требованиям.

Одним из приемлемых технических решений проблемы автоматизации воспроизведения перемещений в микрометрическом диапазоне является создание АСК, выполненных на базе аналогового пьезопривода. Вместе с тем, имеется ряд факторов, ограничивающих точность и воспроизводимость микроперемещений посредством пьезопривода. Принципиальным предложением по улучшению метрологических характеристик пьезопривода является его оснащение эталонным обратным измерительным преобразователем микроперемещений. Однако, вопросы создания АСК на базе пьезопривода с обратными измерительными преобразователями требуют дальнейшего изучения, направленного на разработку эффективной структуры системы управления АСК и оптимизацию параметров ее элементов.

Действующие методики градуировки и поверки (калибровки) средств измерений размеров и перемещений с ценой деления шкалы от 1.0 мкм и более основаны на прямом измерении изменения размеров, воспроизводимых эталонными мерами с шагом дискретности 10 мкм. Для средств измерений с ценой деления шкалы 0,1; 0,2; 0,5 мкм применяют метод сличения показаний поверяемого и эталонного средств измерений путем одновременного воспроизведения на их входах изменения размера эталонными мерами более высокого разряда с шагом дискретности 1,0 мкм. Градуировка участков шкалы в пределах 1,0 мкм производится простым делением длины участка шкалы между оцифрованными метками. Необходимость применения мер чрезвычайно ограничивает производительность градуировочно-поверочных операций, делает их трудоемкими и требует высокой квалификации поверителя.

Не менее проблематичными являются вопросы настройки, а также проверки параметров настройки средств контроля размеров (приборы допускового контроля, контрольно-сортировочные устройства, приборы активного контроля). Настройка средств контроля производится, главным образом, с помощью аттестованных образцов контролируемых деталей, а проверка параметров настройки' - плавным двунаправленным контролируемым изменением размера на входе средства контроля. В последнем случае для воспроизведения изменения размера применяют клиновые приспособления, что в силу их механического устройства не снимает проблему низкой производительности. Кроме того, погрешность воспроизведения микроперемещений ограничена пределами ± 0,5 мкм, что в ряде случаев не достаточно для выполнения требований к достоверности полученных результатов.

Повышение производительности и достоверности поверочно-настроечных операций в микрометрическом диапазоне связано с решением проблемы автоматизированного воспроизведения перемещений с требуемой точностью и разрешающей способностью. Техническое решение проблемы заключается в создании высокоточного автоматизированного привода микроперемещений. Анализ метрологических требований и технических возможностей их реализации показывает, что наиболее приемлемым решением является создание автоматизированных калибраторов на базе аналогового пьезопривода линейных микроперемещений. Исполнительные элементы пьезопривода выполняются из многослойной пьезокерамики и при соответствующем выборе типоразмера и количества пьезоэлементов обеспечивают требуемый диапазон перемещений.

Высокая разрешающая способность пьезопривода, повторяемость характеристик преобразования при неизменных условиях их определения, обусловленные физической сущностью обратного пьезоэффекта, относительная простота и удобство управления с помощью электрического сигнала являются благоприятными факторами автоматизации воспроизведения микроперемещений. С другой стороны, имеется ряд факторов ограничивающих возможность применения пьезопривода для рассматриваемых целей. К их числу относятся нелинейность и многозначность статической характеристики преобразования, явление ползучести пьезокерамики, выражающееся в медленном изменении первоначально установившегося значения в течении нескольких минут, а так же временная нестабильность параметров пьезоэлементов. Именно по этой причине до настоящего времени пьезопривод не нашел своего применения для высокоточного воспроизведения микроперемещений.

Цель данной диссертационной работы — повышение производительности и достоверности операций определения метрологических характеристик приборов размерного контроля геометрических параметров деталей путем создания высокоточных АСК, выполненных на базе аналогового пьезопривода, конструктивно совмещенного с эталонным обратным измерительным преобразователем микроперемещений.

В работе решались следующие задачи: экспериментальное исследование и математическое моделирование статических характеристик пьезоприводных АСК; теоретическое исследование и оценка погрешности воспроизведения микроперемещений в позиционных режимах работы АСК; разработка математических моделей динамических характеристик пьезопривода АСК и исследование его динамического качества; разработка алгоритмического обеспечения для имитационного моделирования и исследования полных характеристик преобразования «управляющее напряжение — перемещение подвижного звена механизма»; разработка типовых конструкций исполнительных механизмов АСК с многослойными пьезокерамическими элементами и обратным преобразователем; разработка структурных схем построения АСК с обратным каналом компенсации ошибки; анализ и синтез параметров системы управления; разработка типовых моделей АСК и методики расчета и проектирования параметров их элементов.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.

Основные выводы и результаты работы заключаются в следующем:

1. Экспериментально исследованы и математически описаны статические нелинейные свойства аналогового пьезопривода микроперемещений, выполненного на базе многослойной пьезокерамики, как многозначной нелинейности типа «гистерезис». Выявлены свойства функции чувствительности и рассчитаны ее значения.

2. Даны аналитические оценки погрешности воспроизведения микроперемещений для произвольной последовательности изменения управляющего напряжения и однопозиционного режима управления с предварительным переводом отображающей точки в начало координат.

3. Экспериментально исследован и математически описан процесс ползучести пьезокерамики при воспроизведении микроперемещений, выражающийся в медленном возрастании (уменьшении) первоначально установившегося перемещения в течении нескольких минут на 10 % от первоначально установившегося значения.

4. Разработаны математические модели динамических характеристик разомкнутого пьезопривода микроперемещений в форме: системы линейных дифференциальных уравнений с многозначной статической нелинейностью;

- передаточных функций с замещением отклонений от линейности эквивалентными возмущающими воздействиями; на основе которых исследованы характеристики переходного процесса, а так же частотные характеристики методом имитационного моделирования с помощью специального алгоритма.

5. Разработаны комбинированные структуры системы управления АСК, содержащих основной канал управления по задающему воздействию и канал компенсации ошибки между задающим воздействием и воспроизводимым микроперемещением, посредством интегратора. При этом показаны структурные возможности компенсации ошибки как по входу, так и по выходу комбинированной системы.

6. Получены передаточные функции предложенных вариантов комбинированных систем, на основе которых проведены исследования влияния параметров системы на устойчивость и точность воспроизведения микроперемещений при ограничениях на длительность и качество переходного процесса.

7. Представлены результаты разработки автоматизированных средств калибровки приборов размерного контроля и их элементов. Предложены типовые схемы конструкций исполнительных механизмов с пьезокерамическими исполнительными элементами (многослойный, биморфный), оснащенные встроенным обратным измерительным преобразователем микроперемещений.

8. Даны рекомендации по расчету и проектированию элементов АСК, а так же оптимальному выбору параметров системы управления.

9. В результате экспериментальных исследований подтверждена адекватность разработанных математических моделей реальным характеристикам преобразования системы.

10. В результате аттестации разработанных моделей АСК нормированы следующие метрологические характеристики. Для модели АК-1:

- диапазон перемещений ± 60 мкм,

- цена единицы младшего разряда 0,01 мкм,

- чувствительность 0,01 мкм/мВ, предел допускаемой основной погрешности воспроизведения микроперемещений в диапазоне ± 60 мкм - 0,2 мкм; ±18 мкм — 0,05 мкм; ± 3 мкм — 0,03 мкм,

- измерительное усилие не менее 100 Н. Для модели АК-2:

- диапазон перемещений ± 0,3 мм,

- цена единицы младшего разряда 0,1 мкм, предел допускаемой основной погрешности воспроизведения микроперемещений 0,2 мкм,

- измерительное усилие не более 300 сН. 11. Даны рекомендации по применению АСК при проведении операций настройки, градуировки и калибровки приборов размерного контроля и измерительных преобразователей микроперемещений. L

129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Актуальные вопросы поверки специальных средств линейных и угловых измерений и применение средств вычислительной техники / В. Б. Коркин и др. - М.: Изд-во стандартов, 1989. — 120 с.

2. Артемьев Б. Г. Справочное пособие для специалистов метрологических служб / Б. Г. Артемьев, Ю. Е. Лукашов. М.: Изд-во стандартов, 2004. - 645 с.

3. Архангельская Е.А., Вишнеков А. В., Николаев Ю.Л., Фирстов В.Г. Алгоритмы оценивания характеристик погрешностей измерительно-поверочных комплексов с помощью процедуры статистического моделирования. Машиностроитель, № 11-12, 1998. — С. 55.

4. Афонин С. М. Гармоническая линеаризация обобщенной гистерезисной характеристики пьезоэлектрического привода для нано- и микроперемещений. Электричество, № 1, 2008. - С. 70-74.

5. Афонин С. М. Пьезопреобразователи для приводов микроперемещений. Приборы и системы управления, № 2, 1998. - С. 41-42.

6. Афонин С. М. Расчет статических и динамических характеристик пьезодвигателя наноперемещений. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, № 7, 2000. - С. 56-57.

7. Афонин С. М. Исследование и расчет механических и регулировочных характеристик составного пьезодвигателя наноперемещений. — Датчики и системы, № 8, 2002, С. 29-31.

8. Афонин С. М. Исследование и расчет гистерезисных характеристик составных пьезодвигателей наноперемещений. Датчики и системы, № 9, 2009. - С. 15-16.

9. Афонин С. М. Корректирующие устройства системы управления пьезоприводом нано п микроперемещений. — Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, № 8, 2006. - С. 22-26.

10. Афонин С. М. Об обобщенных условиях абсолютной устойчивости системы автоматизированного управления пьезодвигателем наноперемещенин. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, № 4, 2005. - С. 28-31.

11. Афонин С. М., Афонин П. С. Программирование и моделирование характеристик пьезодвигателя наноперемещений. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, № 3, 2006. - С. 24-26.

12. Бессекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. -М.: Наука, 1975, 768 с.

13. Бирюков Г. С., Серко А. А. Измерение геометрических величин и их метрологическое обеспечение. М.: Изд-во стандартов, 1987. - 368 с.

14. Боднер В. А., Алферов А. В. Измерительные приборы. Издательство стандартов, 1986. 512 с.

15. Васильев А. С. Основы метрологии и технические измерения. -М.: Машиностроение, 1980. 192 с.

16. Веневцев Ю. Н. И др. Сегнето- и антисегнетоэлектрики семейства титаната бария. М.: Химия, 1985. - 256 с.

17. Виноградов Ю. О., Машинистов В. М., Розентул С. А. Электронные измерительные системы для контроля малых перемещений. -М.: Машиностроение, 1976. 142 с.

18. Вирцер А. Д., Николаев Ю. J1. Математическая модель статических характеристик пьезокерамических преобразователей. -Автоматика и телемеханика, № 11, 1992.-С. 172-185.

19. Вишнеков А. В. и др. Устройство для задания микроперемещений. А. с. СССР № 1674065. Б. и. № 31, 1990.

20. Вишнеков А. В. Моделирование статической нелинейности пьезоэлементов. / Всесоюзная конференция «Современные проблемы физики и ее приложений». Тезисы докладов. М.: ВИНИТИ АН СССР, 1990. - С. 112.

21. Вишнеков А. В. Особенности моделирования свойств исполнительных механизмов микроперемещений на основе пьезокерамических элементов. 6-ое Всероссийское Совещание-семинар «Инженерно-физические проблемы новой техники», Москва, 2001. С. 25.

22. Волосов С. С., Педь Е. И. Приборы для автоматического контроля размеров в машиностроении. М.: Изд-во стандартов, 1975. — 336 с.

23. Воронин Ю. В., Рубцов А. А, Контроль измерительных приборов и специального инструмента. М.: Машиностроение, 1981. - 200 с.

24. Глозман И. А. Пьезокерамика. М.: Энергия, 1972. - 228 с.

25. ГОСТ 8.051-81. ГСИ. Погрешности, допускаемые при измерении линейных размеров до 500 мм. М.: Изд-во стандартов, 1987. - 10 с.

26. Джагупов Р. Г., Ерофеев A. JI. Пьезокерамические элементы в приборостроении и автоматике JI.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1986.-256 с.

27. Джагупов Р. Г., Ерофеев А. Л. Пьезоэлектроиные устройства вычислительной техники, систем контроля и управления. / Справочник. -СПб.: Политехника, 1994. 286 с.

28. Дьяконов В. П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бэйсик для персональных ЭВМ. М.: Наука, 1989. - 240 с.

29. Ершов А. Г. Воспроизведение микроперемещений в динамическом режиме. / Всесоюзная конференция «Современные проблемы физики и ее приложений». Тезисы докладов. М.: ВИНИТИ АН СССР, 1990. -С. 110.

30. Ершов А. Г. Пьезорегуляторы положения стола инструментального микроскопа. М.: МГТЦНТИ и П. 1989. - 4 с.

31. Ершов А. Г., Николаев Ю. Л. Задатчик микроперемещений. А. с. СССР № 142736. Б. и. № 36, 1988.

32. Ершов А. Г., Николаев Ю. Л. Задатчик микроперемещений. А. с. СССР № 1513421. Б. и. № 37, 1989.

33. Ершов А. Г и др. Задатчик микроперемещений. А. с. СССР № 1587319. Б. и. №31, 1990.

34. Ершов А. Г., Николаев Ю. Л., Вишнеков А. В. Исследование и проектирование пьезорегуляторов положения с применением ЭВМ. / Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции НОЕМВРИ -1989г. Варна, ВМЕИ, НРБ. 1989. -С. 9.

35. Клаасен К. Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. М.: Постмаркет, 2000. - 352 с.

36. Коркин В. Б. Автоматизация линейных и угловых измерений: Конспект лекций. -М.: Изд-во стандартов, 1988. 68 с.

37. Лавриненко В. В. и др. Пьезоэлектрические двигатели / В. В. Лавриненко, И. А. Карташов, В. С. Вишневский. М.: Энергия, 1980. - 110 с.

38. Лукашкин В.Г., Гарипов В.К., Слепцов В.В., Вишнеков А. В. Автоматизация измерений, контроля и управления. М.: Машиностроение-1, 2005. 663 с.

39. Лукашкин В. Г., Вишнеков А. В. Нормализующие измерительные преобразователи / Научные труды X Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики, г. Сочи, 2007. С. 186 - 192.

40. Лукашкин В. Г., Ефимов П. В., Вишнеков А. В. Нормирование выходных сигналов первичных преобразователей. Приборы+автоматизация, №12, 2007.-С. 19-21.

41. Мезон У. Физическая акустика. Т. 1. Методы и приборы ультразвуковых исследований. М.: Мир, 1966. — 592 с.

42. Методические указания. Достоверность и требования к методикам поверки средств измерений МИ 187-86, МИ 188-86. М.: Изд-во стандартов, 1987.-39 с.

43. Методические указания. Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления. Способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров. МИ 1.317-86. -М.: Изд-во стандартов, 1986. 29 с.

44. Метрологическое обеспечение и эксплуатация измерительной техники / Под ред. В. А. Кузнецова. М.: Радио и связь, 1990. - 238 с.

45. Механизация и автоматизация линейно-угловых измерений: Материалы семинара. М.: МДНТП, 1985. - 150 с.

46. Назаров Н. Г. Измерения: планирование и обработка результатов. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000. — 301 с.

47. Назаров Н. Г. Метрология. Основные понятия и математические модели. М.: Высшая школа, 2002. - 348 с.

48. Н. Г. Назаров, Е. А. Архангельская. Современные методы и алгоритмы обработки измерений и контроля качества продукции. М.: Изд-во стандартов, 1995. - 163 с.

49. Неразрушающий контроль: Справочник. В 7 т. Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 1: Визуальный и измерительный контроль. М.: Машиностроение, 2003. - 560 с.

50. Николаев Ю. Л. Автоматизация воспроизведения микроперемещений на базе пьезоэлектрического привода. Автоматизация и современные технологии, № 3, 1997. — С. 6-12.

51. Николаев Ю. Л. Автоматизированные механизмы и системы с пьезокерамическими приводными элементами / V Всесоюзное совещание по робототехническим системам. Тезисы докладов. М.: Институт проблем механики АН СССР, ВИНИТИ АН СССР, 1990. - С. 145.

52. Николаев Ю. Л. Высокоточные системы микроперемещений / Всесоюзная конференция «Современные проблемы физики и ее приложений». Тезисы докладов. М.: ВИНИТИ АН СССР, 1990. - С. 112.

53. Николаев Ю. Л. Принципы конструирования пьезоэлектрических генераторов микроперемещений. Автоматизация и современные технологии, № 3, 2000. - С. 10-12.

54. Николаев Ю. Л, Пьезорегуляторы положения / Всесоюзная конференция «Современные проблемы механики и технологии машиностроения». Тезисы докладов. М.: ВИНИТИ АН СССР и ГКНТ, 1989.-С. 88.

55. Николаев 10. Jl. Пьезоэлектрические калибраторы микроперемещений отсчетных механизмов. М.: МГТЦ НТИ и П, 1989. - 4 с.

56. Николаев Ю. Л., Вишнеков А. В. Численные методы моделирования и исследования статических и динамических характеристик исполнительных пьезоэлементов. Измерительная техника, № 5, 1992. - С. 26-29.

57. Николаев Ю. Л., Вишнеков А. В., Лукашкип А. Г. Пьезоприводные калибраторы микроперемещений с комбинированной системой управления. Контроль и диагностика, № 6, 2009. - С. 35-39.

58. Николаев Ю. Л., Воронцов А. Л. Анализ силы закрепления и погрешностей позиционирования подвижных модулей в пьезоэлектрическом фиксаторе. Автоматизация и современные технологии, № 6, 1993. - С. 6-9.

59. Николаев Ю. Л., Ершов А. Г. Автоматизированный отсчетный механизм микроперемещений. Измерительная техника, № 2, 1990. С. 21-22.

60. Николаев Ю. Л., Ершов А. Г. Исполнительный механизм линейных перемещений. А. с. СССР № 1520484. Б. и. № 41, 1989.

61. Николаев Ю. Л., Ершов А. Г., Смирнов В. А., Петров О. И. Устройство для позиционирования. А. с. СССР № 1644094. Б. и. № 15, 1991.

62. Николаев Ю. Л., Ершов А. Г., Смирнов В. А., Петров О. И. Устройство для позиционирования исполнительного органа. А. с. СССР № 1645133. Б. и. №16, 1991.

63. Николаев Ю. Л., Ершов А. Г., Сапрыкин В. М., Вишнеков А. В. Исполнительный механизм микроперемещений. А. с. СССР № 1798767. Б. и. № 8, 1993.

64. Николаев Ю. Л., Ершов А. Г., Сапрыкин В. М., Вишнеков А. В. Исполнительный механизм микроперемещений. А. с. СССР № 1784949. Б. и. № 48, 1992.

65. Николаев Ю.Л., Гноенский Л.С., Вишнеков А. В. Разработка и исследование многоканальной системы перемещений и позиционирования. Научные труды межвузовской научно-технической конференции

66. Фундаментальные основы создания наукоемких и высокотехнологичных приборов», МГАПИ, Москва. 1997. С. 56.

67. Никольский А. А. Точные двухканальные следящие электроприводы с пьезокомпенсаторами. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 160 с.

68. Основополагающие стандарты в области метрологического обеспечения. М.: Издательство стандартов, 1986. - 271 с.

69. Тищенко Ю. И., Успенский С. Д. Метрологическое обеспечение средств измерений в эксплуатации. М.: ВИСМ, 1990. - 102 с.

70. Плужников В. М., Семенов В. С. Пьезокерамические твердые схемы. -М.: Энергия, 1971. 168 с.

71. Попов Е. П., Пальтов И. П. Приближенные методы исследования нелинейных автоматических систем. М.: Физматгиз, 1960. — 792 с.

72. Прецизионные пьезомикроманипуляторы для миниатюрных устройств / А. А. Ерофеев, Т. А. Поплевкин, М. А. Салтхушвили, С. В. Бойцов. Л.: ЛДНТП, 1991. - 28 с.

73. Применение пьезоактивных материалов в промышленности / Под ред. В. В. Леманева. Л.: ЛДНТП, 1988. - 94 с.

74. Прогрессивные методы и средства измерений линейных и угловых величин / Украинский республиканский дом экономической и научно-технической пропаганды. Киев: б. и., 1990. - 19 с.

75. Рекомендации по метрологии Р 50.2.083-2004. Измерения прямые однократные. Оценивание погрешностей и неопределенности результата измерений. М.: ИПК изд-во стандартов, 2004. - 7 с.

76. Средства для линейных измерений / Б. М. Сорочкин и др. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978. - 263 с.

77. Средства контроля и измерений линейных и угловых размеров: Методики контроля и поверки / ВНИИизмерения. Кн. 2. Микрометрические приборы. -М.: 1991. 123 с.

78. Средства контроля и измерений линейных и угловых размеров: Методики контроля и поверки / ВНИИизмерения. Кн. 4. Головкиизмерительные, индикаторные, индикаторы и индикаторные приборы. М.: 1991.-210с.

79. Средства контроля и измерений линейных и угловых размеров: Методики контроля и поверки / ВНИИизмерения. Кн. 7. Поверочный инструмент. М.: 1991.- 161 с.

80. Федотов А. В. Приборы для автоматического контроля размерных параметров в машиностроении. Омск: Омский политехнический институт, 1975.-213 с.

81. Федотов А. В. Расчет и проектирование индуктивных измерительных устройств. М.: Машиностроение, 1979. - 173 с.

82. Фесенко Е. Г. и др. Новые пьезокерамические материалы / Е. Г. Фесенко, А. я. Данцигер, О. Н. Разумовская. Ростов н/Д: Изд-во Рост, ун-та, 1983.- 156 с.

83. Холин Н. Н., Николаев Ю. JT. Современные достижения и тенденции развития приборостроения. -М.: ВИНИТИ, 1990. 36 с.

84. Хомяков В. Д., Николаев Ю. JL, Шереметьев К. В. Борьба с вибрациями в прецизионной металлообработке. Техномир, № 1, 2006. - С. 80-83.

85. Шачнев Ю. JL, Парфенов Б. Г., Николаев Ю. JL, Смирнов В. А. Автоматическое управление точностью обработки при помощи пьезо-керамических исполнительных механизмов. — Технология производства, научная организация труда и управления, № 6. 1979. С. 18-20.

86. Шульга Н. А., Болкисев А. М. Колебания пьезоэлектричских тел. -Киев: Наук. Думка, 1990. 227 с.

87. Щепетов А. Г. Теория, расчет и проектирование измерительных устройств. М.: ФГУП «Стандартинформ», 2006. - 248 с.

88. Analysis of electrostatic comb-driver actutors in linear and nonlinear regions. / M. Tilleman. Int. J. Solid pieroelectric and Struct., № 18-19, 2004. - C. 4473-4502.

89. Embedded p ieroelectric с eramic trunduceres i n s andwiched b earns. / A. Madhav, S. Kiong. Smart Mater, and Struct., № 2, 2006. C. 538-549.

90. Lober C., Gtinter W/ Mikrorechntr in der Messtechnik. Berlin: Technik, 1983.-236 c.

91. Micropositioning device using impact forse of pieroelectric flying wires / L. Ying-Tier, Y. Yutaka, H. Tohiro. IEEE/ASMT Trans. Meliatron, № 6, 2005. - C. 692-696.

92. Mills A. A., Hurst A. W. A pieroceramic fmemovement control. J. Phys. E: Sci. Instrum., № 3, 1981. C. 295-296.

93. Piezoelectric ceramics. By B. Jaffe, R. Cook and H. Jaffe. 1974 -288 c.

94. Principles and application of ferroelectrics and related materials/ By M. E. Lines, A. M. Glass, Oxford, 1977. 723 c.

95. Sanguinetti В., Varcoe B. Use of a piezoelectric SQUIGGLE motor for positioning at 6K in a cryostat. Cryogenics, № 9, 2006. - C. 694-696.

96. Soft modes in ferroelectrics and antiferroelectrics/ By R. Blinc and B. Zekz (Amsterdam; New York), 1974. 395 c.

97. Trajectory tracking of piezoelectric positioning stages using a dynamic sliding-mode control. Shieh Hsin-Jnag, Huang Po-Kai. IEEE Trans. Ultrason., Ferroelec., and Freq. Contr. № 10, 2006. C. 1872-1882.1. СОГЛАСд&АШ

98. Элма" ТЗ. Г.Парфенов 1990г.1. УТВЩР^;:^^ Приложение 1.udUj .И.Н. Холин l '' -Щл: и ,1990 г.1. ПРОГРАММАметрологической аттестации автоматического калибратора микроперемещений модели АК-2

99. СОГЛАСОВАНО Гл.метролог I МЧЗд.Д.Евдокимовfl»-*. 1990 Г,1. СОГЛАСОВАНО

100. Гл.метролог НЩ "Элла" 1И«Ю.Криков1990г.1. СОГЛАСОВАНО Гд.шшхег МШ

101. Н.Ф. Гриделева " .^ск^г 1990г.1401. СОДЕРЖАНИЕ1. Вводная часть». 3

102. Перечень метрологичеоких характеристик,подлежащих аттестации.3

103. Операции метрологической аттестация.3

104. Средотва метрелогячеокой аттеотации.3

105. Условия проведения метрологической аттеотации. 3

106. Подготовка к метрологнчеокоЗ аттестаций.5

107. Порядок проведения метрологической аттестации.6

108. Оформление результатов метрологическойаттестации. 10

109. Установление порядка метрологического обслуживанияв условиях эксплуатации. 101. Жршюжение.II1. Вводная часть

110. Настоящая программа распространяется на автоматический калибратор микроперемещений АК-2 и устанавливает методы и средства его аттестации.

111. Аттестация АК-2 как рабочего нестандартизованного средства измерений проводится в метрологической лаборатории 1МЧЗ им. С.М.Кирова с 14 мая :, 1990 г. по 30 июня 1990 г.

112. В комплект документации» представленной вместе с аттестуемым калибратором, входят:- техническое описание АК-2;- программа метрологической аттестации АК-2;- проект методических указаний по методам и средствам поверки АК-2.

113. Перечень метрологических характеристик, подлежащих аттестации.

114. Операции метрологической аттестации.

115. Последовательность и объем исследований приведены в таблице I.

116. Средства метрологической аттестации.

117. Перечень средств метрологической аттестации приведен в таблице 2.

118. Уоловия проведения метрологической аттестации

119. Аттестацию следует проводить в условиях, изложенных в таблице 3.1. Наименование операции'