автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование способов и средств контроля основных характеристик оптических геодезических приборов

Введение.

1 Анализ способов и средств контроля основных метрологических параметров геодезических приборов.

1.1 Объект исследования и метрологический контроль.

1.2 Визирные устройства и погрешности измерения, вызванные работой этих устройств.

1.3 Поверка горизонтальности визирной оси нивелира.

1.4 Взаимная перпендикулярность визирной оси, оси вращения трубы и вертикальной оси теодолита.

1.5 Анализ существующих способов и средств поверки смещения визирной оси при перефокусировке геодезических приборов.

1.5.1 Геодезические методы;поверки смещения визирной оси при перефокусировке.

1.5.2 Лабораторные методы поверки смещения визирной оси при перефокусировке.

1.6 Анализ существующих способов и средств по поверке точности установки визирной оси в горизонтальное положение.

1.6.1 Геодезические методы.

1.6.2 Лабораторные методы.

1.6.3 Специализированные установки.

1.7 Анализ существующих способов и средств контроля перпендикулярности визирной оси и оси вращения зрительной трубы, оси вращения теодолита и оси вращения трубы.

1.8 Постановка задачи исследований.

2 Разработка математической модели измерительного устройства для определения взаимного ориентирования основных осей геодезических приборов.

2.1 Векторная модель объекта исследования.

2.2 Математическая модель установки для определения положения горизонтальной оси теодолитов.

2.3 Математическая модель установки для определения положения вертикальной оси вращения теодолитов.

3 Разработка способов и средств для поверки геодезических приборов

3.1 Перспективы развития измерительной техники для метрологии.

3.2 Схемы измерительных устройств для исследования взаимного расположения осей теодолита.

3.2.1 Установки для определения коллимационной погрешности с автоматическим методом отсчета и визуальным способом наведения.

3.2.2 Установки для определения коллимационной погрешности с автоматическим методом отсчета и визуальным способом наведения.

3.3 Схемы установок по поверке Главного условия нивелира

3.3.1 Разработка схемы установки с подвижным зеркалом.

3.3.2 Разработка схемы установки со стационарно установленным зеркальным отвесом.

3.4 Нивелир с автоколлимационным устройством гори-зонтирования.

3.5 Разработка схем измерительных устройств для исследования зрительных труб геодезических приборов.

3.5.1 Разработка схемы автоматизированной установки для исследования смещения визирной оси при перефокусировке в прямом ходе лучей.

3.5.2 Разработка схемы автоматизированной установки для исследования смещения визирной оси при перефокусировке в прямом ходе лучей.

3.5.3 Разработка схемы установки по контролю над смещением визирной оси с подвижной щелью.

3.6 Разработка схем измерительных средств для исследования телеобъективов.

3.6.1 Схема установки с прямым ходом луча.

3.6.2 Схема установки с обратным ходом луча.

4. Результаты лабораторных исследований и разработка метрологического обеспечения.

4.1 Результаты исследований измерительного средства для поверки горизонтальности визирной оси геодезических приборов.,

4.2 Локальная поверочная схема для средств измерения плоского угла.

4.3 Методика поверки нивелиров.

Надежность средств измерений является важнейшим фактором в топо-графо-геодезическом производстве, поэтому разработке и внедрению методов и средств поверки и исследования геодезических приборов уделяется большое внимание.

Погрешность измерений, вызванная неконтролируемой инструментальной погрешностью средств измерений, может привести к непредсказуемым последствиям в строительстве, машиностроении и других отраслях народного хозяйства, где производятся работы геодезическими инструментами. Это объясняет значимость метрологического обеспечения как на стадии производственного процесса, так и при периодическом контроле и непосредственно в процессе измерений.

Тенденции развития промышленности, внедрение новых технологий при сохранении высокой надежности требуют производить измерения с точностью, превышающей установленную ГОСТом. Прогресс в создании новых геодезических приборов основывается также на появлении новых средств измерения по контролю и поверке параметров этих приборов.

Современная автоматизация практически всего производственного и измерительного процесса есть результат развития сенсоров. Сенсоры позволили заменить естественный приемник излучения человека - глаз, и сделать процесс измерения более удобным. Системы измерений основаны на принципах оптического наблюдения и цифровой индикации. Большое распространение получают оптические методы измерений, к которым относятся большинство бесконтактных методов измерений.

Актуальность темы. Современные тенденции развития науки и техники направлены на автоматизацию всех процессов производства, в том числе и при проведении контольно-юстировочных операций. Повышение требований к точности измерений, увеличение производительности труда при уменыпении затрат на проведение работ ведут к дальнейшему усовершенствованию, развитию, и, как правило, к усложнению конструкций геодезических приборов. В связи с этим возникает проблема создания универсальных средств исследований, испытаний и поверок геодезических приборов, находящихся на этапах производственного процесса или в эксплуатации. При этом средства контроля должны учитывать особенности различных типов приборов, выпущенных отечественной и зарубежной промышленностями.

Целью диссертационной работы является разработка новых высокоэффективных средств измерения основных характеристик оптических геодезических приборов в лабораторных условиях; в том числе принципиальных высокоточных схем и измерительных устройств для автоматизированного контроля, поверки и аттестации геодезических приборов перед эксплуатацией.

Указанная цель достигается путем решения следующих задач:

- теоретические исследования принципов построения исследование существующих измерительных устройств для определения взаимного ориентирования основных осей оптических геодезических;

- разработка новых способов проведения измерений, позволяющих автоматизировать операции поверки основных характеристик геодезических приборов, с целью исключения субъективной погрешности измерения;

- ""разработка и исследованием конструкции макета лабораторной установки для поверки главного условия нивелиров, места нуля теодолитов и аттестации уровней при проведении аттестации приборов в лабораторных условиях.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

- предложена и проанализирована обобщенная математическая модель измерительного устройства, учитывающая принципы построения измерительного устройства для исследования взаимного расположения основных осей в оптических геодезических приборах;

- предложен оригинальный способ поверки оптических геодезических приборов, исключающий субъективную погрешность в результатах измерений;

- предложены новые высокоточные схемы автоматизированных и не автоматизированных измерительных устройств для поверки и аттестации геодезических приборов.

На защиту выносятся:

- обобщенная математическая модель измерительного устройства, описывающая связь взаимного расположения осей исследуемого объекта с системой измерительного устройства, путем измерения координаты проекции вектора в нескольких измерительных плоскостях;

- оригинальный способ проведения поверки оптических геодезических приборов, исключающий субъективную погрешность в результатах измерений;

- новые высокоточные схемы автоматизированных и не автоматизированных измерительных устройств для поверки и аттестации геодезических приборов.

Практическая ценность работы заключается в том, что рассмотрена возможность создания на их основе современных лабораторных измерительных устройств. Объективность измерений и увеличение производительности труда устройствами данного типа достигается частичной или полной автоматизацией процесса измерений. Разработан и исследован макет установки для поверки горизонтальности визирной оси в приборах, где необходимо соблюдение этого условия.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на:

1) XLVII Научно-технической конференции преподавателей СГГА 22-28 апреля 1997 г;

2) XLVIII Научно-технической конференции преподавателей СГГА 13-24 апреля 1998 г;

3) Международной промышленной выставке Восток-Сибирь-Запад. Всероссийский экономический форум. Сибирь: экспорт - импорт;

4) Ь Научно-технической конференции преподавателей СГГА 24-28 апреля 2000 г.

5) 1Л Научно-технической конференции преподавателей СГГА 16-19 апреля 2001 г.

Основное содержание диссертационной работе изложено в 11 научных трудах, включая тезисы 7 докладов и 2 заявки на изобретение. В работах, написанных в соавторстве, личный вклад соискателя состоял в разработке математической модели, проведении теоретических выводов и расчетов, разработке принципиальных оптических схем ряда измерительных устройств для аттестации геодезических приборов.

Структура диссертации. Диссертация включает в себя введение, четыре раздела, заключение, два приложения и библиографию. В первом разделе проведен анализ способов, средств и технологических схем контроля основных метрологических параметров геодезических приборов. Во втором разделе описана математическая модель измерительного устройства для определения взаимного ориентирования основных осей геодезических приборах. В третьем разделе предложены средства и технологические схемы для целей аттестации геодезических приборов. В четвертом разделе приведены результаты исследования устройства для поверки главного условия нивелиров и детально проработана методика поверки нивелиров, предложена локальная поверочная схема для средств измерения плоского угла. В заключении кратко сформулированы основные результаты работы.

Заключение

На современном этапе развития метрологического обеспечения геодезического производства практически отсутствуют автоматические или автоматизированные комплексы и установки для поверки и исследования геодезических приборов, упрощающие схему проведения измерений при обеспечении требуемой точности измерений. Почти все существующие методы и средства поверки являются визуальными, поэтому не исключают субъективной погрешности измерения, связанной с индивидуальными особенностями и психофизическим состоянием оператора. Полевые методы исследований трудоемки и затруднительны в лабораторных и заводских условиях проведения испытаний, результаты во многом подвержены влиянию внешней среды и обладают невысокой точностью. Отсутствует методология создания автоматических средств измерений и их классификация.

В диссертации получены следующие результаты:

1) Предложена и исследована математическая модель для определения положения горизонтальной оси теодолитов, связывающая параметры установки с параметрами теодолита. Найдена зависимость координаты точки проекции визирной линии на измерительную плоскость от коллимационной погрешности теодолита.

2) Разработана математическая модель установки для определения положения вертикальной оси вращения теодолитов, связывающая параметры установки с параметрами исследуемого теодолита. Выведена зависимость координаты точки проекции визирной линии на измерительную плоскость от погрешности, возникающей за счет невертикальности оси вращения теодолита.

3) Предложен новый способ определения угла поворота теодолита, исключающий субъективную погрешность, связанную с погрешностью наведения и позволяющий автоматизировать эту операцию поверки.

4) На основании математической модели разработаны оригинальные схемы установок для определения коллимационной погрешности с автоматическим или визуальным методом отсчета и автоматическим или визуальным способом наведения. Среднеквадратическая погрешность измерения на данных установках до 1". Подана заявка на патент [56].

5) Предложена и проработана схема установки для определения коллимационной погрешности с автоматической системой наведения и автоматической системой отсчета.

6) На основании расчетов разработана конструкция, изготовлен и смонтирован макет зеркального отвеса и макет установки с зеркальным отвесом для исследования горизонтальности визирной оси. Подана заявка на патент [55]. Проведенные экспериментальные исследования отвеса показали, что его можно использовать в качестве высокоточного горизонтирующего устройства установки. Угол недокомпенсации на диапазоне ±10' составляет величину 0,5". На установке с зеркальным отвесом можно проводить поверку главного условия нивелиров и места нуля вертикального круга в теодолитах, а также горизонтальность визирной оси в приборах, где это условие необходимо соблюдать, с погрешностью выведения оси автоколлиматора 1,1".

7) Предложена и проработана схема автоматизированной установки для исследования смещения визирной оси при перефокусировке в прямом и обратном ходе лучей, СКП измерения составляет 1,7".

8) Предложена и проработана схема автоматизированной установки для исследования смещения при перефокусировке визирной оси в обратном ходе лучей. Разработан новый способ определения смещения визирной оси при перефокусировке, связывающий положения оптической и визирной осей.

9) Разработаны схемы установок для исследования смещения фокусирующего компонента с оптической оси в телеобъективах зрительных труб. СКП измерения смещения фокусирующего компонента составляет 0,3 мкм.

1. Геодезия. Геодезические и фотограмметрические приборы: Справочное пособие/Н.Н. Воронков, B.C. Плотников, Е.И. Калантаров и др. - М.: Недра, 1991.

2. ГОСТ 10528-90 Нивелиры. Общие технические условия. Введ. 01.07.91. -М.: Изд-во стандартов, 1990. - 18с.

3. ГОСТ 10529-96 Теодолиты. Общие технические условия. Введ. 01.01.88. -М: Изд-во стандартов, 1986. - 15с.

4. Инструкция по проведению технологической поверки геодезических приборов. М., 1999, 56 с.

5. Погарев Г.В. О визирных осях зрительных труб: ЛИТМО, Л., Машгиз, 1949, Вып. 4.

6. Захаров А.И. Новые теодолиты и оптические дальномеры. М., Недра, 1966-261 с.

7. Афанасьев В. А., Усов B.C. Оптические приборы и методы контроля прямолинейности в инженерной геодезии. М.: Недра, 1973.

8. Авдулов А.Н., Табенкин А.Н. Современные приборы для контроля прямолинейности и плоскостности в приборостроении. М.: НИИТМАШ,1968.

9. Запрягаева Л.А. Обзор современных оптических методов и средств контроля прямолинейности // Изв. Вузов. Геодезия и аэрофотосъемка,1969. Вып. 3.-С.68.

10. Спиридонов А.И., Кулагин Ю.Н., Кузьмин М.В. Поверка геодезических приборов. М.: Недра, 1981. - 159 с.

11. Рытов А.В, Спиридонов А.И. Геодезические приборы для крупномасштабных топографических съемок. М.: Недра, 1977. - 175 с.

12. Черемисин М. С., Ардасенов В. Д., Кольцов В. П. Нивелиры с компенсаторами (Устройство, исследование применение). М.: Недра, 1978. -142 с.

13. Афанасьев В. А., Жилкин A.M., Усов B.C. Автоколлимационные приборы. М.: Недра, 1982. - 145 с.

14. Зимин В.М. Стенд для исследования угломерных инструментов -Геодезия и картография. 1969. № 4. - С.35-38.

15. Романов Д. А., Запрягаева JI. А. Хромотичекие аксиконы и их применение.//Вопросы атомной науки и техники. Проектирование. 1972. -Вып. 5.

16. Оптические приборы в машиностроении: Справ./М. И. Апенко, И.П. Араев, В.А. Афанасьев и др. -М.: Машиностроение, 1974- 238 с.

17. Усов B.C., Дурейко Г.В., Свешникова И.С. Новые фокусирующие устройства зрительных труб // Изв. Вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1970. -Вып. 4. - С.135-138.

18. Усов B.C., Черникова Н.В. Фокусирующие системы зрительных труб с неизменяющимся положением визирной линии // Тр/НИИГАиК. -1971.-Вып. 25.-С. 100-105.

19. Ф. Деймлих Геодезическое инструментоведение: Пер. с нем. М.: Недра,- 1970.-584 с.

20. Рытов A.B. О способах определения угла i нивелира // Геодезия и картография. 1972. - №4. - С.30-35.

21. Справочное пособие для работников метрологической службы в топографо-геодезическом производстве / ЦНГШГАиК. М. - 1991.

22. Ямбаев Х.К. Специальные приборы для инженерных геодезических работ. М.: Недра, 1990. - 267 е.: ил

23. Глузбар A.C. Коллиматорный стенд. «Разработка месторождений полезных ископаемых». 1967, Сб. 11.

24. Пат. 2093794 Cl Устройство для поверки главного условия нивелиров / Б.А. Пизюта, В.Д. Лизунов Д. 95108630/28 заявлено 26.05.95; опубликовано 10.97; Бюл. № 29

25. А. И. Спиридонов, Ю. Н. Кулагин, Г. С. Крюков. Справочник каталог геодезических приборов. М.: Недра, 1984. - 238 с.

26. МИ БГЕН 07-90 Методика института. Нивелиры. Методика поверки.

27. МИ БГЕН 08-90 Методика института. Теодолиты. Методика поверки.

28. Елисеев C.B. Геодезические инструменты и приборы. М.: Недра, 1973.-391с.

29. Бернштейн A.C., Джохадзе Ш.Р., Перова Н.И. Фотоэлектрические измерительные микроскопы. Б-ка приборостроителя. М.: Машиностроение, 1976.- 128 с.

30. Кулагин В.В. Основы конструирования оптических приборов: Учеб. Пособие для приборостр. вузов. Л.: Машиностроение, 1982. - 312 с.

31. Круггер М.Я. Справочник конструктора оптико-механических приборов. -М.: Машиностроение, 1967.

32. Захаров А.И. Новые теодолиты и оптические дальномеры. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Недра, 1978. - 261 с.

33. Баврин И.И., Матросов В.Л. Общий курс высшей математики: Учеб. Для студентов физ.-мат. спец. пед. вузов. М.: Просвещение, 1995. -464 е.: ил

34. Михайлов И.О., Пизюта Б.А. Фотоприемные устройства в измерительной технике / Сиб. Гос. Геодез. Акад. Новосибирск, 1998. - 7с. - Деп. В ВИНИТИ № 1992-98

35. Высокоточные угловые измерения/ Д.А. Аникст, K.M. Константинович, И.В. Меськин и др.; под. Ред. Ю.Г. Якушенкова. М., 1987. - 480с.

36. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. JL: М-е. Ленинградское отделение, 1986. 175 с.

37. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Логос, 1999. — 480 с.

38. Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов. М.: Недра, 1990.- 167 с.

39. Кругликов C.B., Логинов A.B. Многоэлементные приемники изображения. -Новосибирск: Наука, 1991

40. Маслюков Ю.С. Определение предельных погрешностей измерительных систем с преобразователями на приборах с зарядовой связью//ОМП. 1990. - №4. - С.70-73.

41. Патричный В.А., Сире А.Ш. Мировые тенденции развития методов и средств измерений (Аналитичесий обзор). М. :Издательство стандартов, 1994. - 72 с.

42. Погарев Г.В. Оптические котировочные задачи. Справ, пособия. -Л., Машиностроение, 1974. 224 с.

43. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984. - 831 с.

44. Сивцов Г.П. Два положения теории зеркально-линзовых систем и связанные с ними упрощенные приемы анализа//Межвуз. Сб. «Оптико-механ. и электронно-оптич. приборы». Новосибирск, 1985. - С. 112-119.

45. Ознамец В.В. Автореф. дис. канд. тех. наук М., 2000. - 28 с.

46. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. -Л.: Машиностроение, 1989. -221 е.: ил.

47. Спиридонов А.И., Кулагин Ю.Н., Крюков Г.С. Справочник каталог геодезических приборов. М.: Недра, 1984, 238 с.

48. Установка для проверки главного условия нивелира. Пизюта Б.А., Киселев М.В. // Вестн. СГГА. 1998. - Вып 3.- С. 115-119

49. Пизюта Б.А., Киселев М.В. Установка для проверки главного условия нивелира с использованием зеркального отвеса. // XLVIII научно-техн. конф. преподавателей СГГА, 13-24 апр. 1998 г.: Тез. докл. Новосибирск: СГГА, 1998 - С. 85

50. Пизюта Б.А., Киселев М.В. Измерение увода визирной линии. // XLVIII научно-техн. конф. преподавателей СГГА, 13-24 апр. 1998г.: Тез. докл. Новосибирск: СГГА, 1998 - С. 86.

51. Пизюта Б.А., Киселев М.В. Автоколлимационный нивелир: тез. докл. Междунар. НТК «220 лет геодез. образованию в России» посвящ. 220-летию со дня основания Моск. гос. ун-та геодезии и картографии (МИИГА-иК), М.: МГУГиК, 1999. - С. 64

52. Киселев М. В. Пизюта Б. А. Восток-Сибирь-Запад. Всероссийский экономический форум. Сибирь: экспорт импорт: Междунар. пром. выставка. Результаты исследования установки по аттестации нивелиров: Тез. докл. -Новосибирск: СГГА, 1999.

53. Пизюта Б.А., Киселев М.В. Коллиматор для имитации различных дальностей // L научно-техн. конф. преподавателей СГГА, 24-28 апр. 2000 г.: Тез. докл. Новосибирск: СГГА, 2000.

54. Пизюта Б.А., Киселев М.В. Автоматизированная установка для измерения коллимационной ошибки теодолитов. // L научно-техн. конф. преподавателей СГГА, 24-28 апр. 2000 г.: Тез. докл. Новосибирск: СГГА, 2000.

55. Заявка № 97107774, МКИ G 01 D 18/00 Установка для проверки главного условия нивелиров / Б.А. Пизюта, М.В. Киселев, приоритет 13.05.97.

56. Заявка № 2000125989, МКИ G 01 D 18/00 Устройство для измерения коллимационной ошибки теодолитов / Б.А. Пизюта, М.В. Киселев, приоритет 20.10.2000.

57. Киселев М.В. Математическая модель измерительного устройства для определения взаимного ориентирования основных осей геодезическихприборов // Ы научно-техн. конф. преподавателей СГГА, 16-19 апр. 2001 г.: Тез. докл. Новосибирск: СГГА, 2001.

58. Киселев М.В. Автоматизированный способ контроля над поворотом визирной линии при аттестации теодолита // Ы научно-техн. конф. преподавателей СГГА, 16-19 апр. 2001 г.: Тез. докл. Новосибирск: СГГА, 2001.

59. Паравулюсов Ю.Б., Гончар Б.В. Векторная модель стенда для метрологической аттестации высокоточных угломерных приборов. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2000, № 6.

60. Курлаев А.А. О расчете порога чувствительности маятниковых компенсаторов нивелиров, установленных на шарикоподшипниках качения. -Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, 2000, № 1.