автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Разработка методов исследования динамических гониометров для калибровки преобразователей угла

На правах рукописи

Иващенко Елена Михайловна РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ГОНИОМЕТРОВ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА

Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005537956 1 ;

■и

Санкт-Петербург - 2013

005537956

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)», на кафедре лазерных измерительных и навигационных систем.

Научный руководитель: доктор технических наук

Павлов Петр Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Антонюк Евгений Михайлович,

заместитель заведующего кафедрой информационно-измерительных систем и технологий СПбГЭТУ по учебной работе

кандидат технических наук Прибыткин Павел Александрович, начальник лаборатории 1338-4 ОАО «Авангард»

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский

институт метрологии им. Д.И. Менделеева.

Защита диссертации состоится "4" декабря 2013 г. в /V часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5, ауд. 5108.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан -У/-0 2013 г.

Учёный секретарь совета, ___-

к.т.н., доцент

Боронахин А.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В связи с непрерывным ростом степени автоматизации различных областей человеческой деятельности увеличиваются объемы производства преобразователей угла (ПУ), растут требования к их точности и быстродействию. Характеристики ПУ во многом определяют функциональные и точностные возможности систем, в которых они применяются. ПУ используются везде, где необходимы автоматизация и контроль процессов перемещений: в системах ориентации солнечных батарей, робототехнике, автоматизированных комплексах, на атомных станциях, аппаратах аэрографической съемки, радиолокационных станциях, системах навигации, высокоточном оружии и пр. ПУ устанавливаются непосредственно на контролируемые объекты, поэтому они должны измерять углы в широком динамическом диапазоне.

В настоящее время существуют ПУ с погрешностью порядка долей угловой секунды.

Задача контроля ПУ решается с помощью средств динамической гониометрии. Для аттестации современных высокоточных ПУ требуются динамические гониометры (ДГ) с точностью, достигающей сотых долей угловой секунды, позволяющие контролировать ПУ в широком диапазоне угловых скоростей.

Задача повышения точности ДГ может быть решена как совершенствованием технических средств, так и методов измерений.

Целью работы является разработка методов исследования динамических гониометров, предназначенных для калибровки преобразователей угла.

Задачи исследований:

- разработка метода исключения систематической погрешности кольцевого лазера (КЛ) в ДГ, сосредоточенной на первой гармонике частоты вращения;

- разработка метода исследования случайной погрешности ДГ с оптическим датчиком угла (ОДУ), исключающего использование дополнительных средств измерения;

- экспериментальная апробация предложенных методов;

- исследования ДГ для калибровки преобразователей угла с использованием разработанных методов.

Методы исследований включают в себя аппарат теории математической статистики, инженерно-физический эксперимент.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Реверсивный метод исключает систематическую погрешность кольцевого лазера, сосредоточенную на первой гармонике частоты его вращения.

2. Методика выставки интерференционного нуль-индикатора, основанная на реверсивном методе, минимизирует систематическую погрешность лазерного динамического гониометра.

3. Метод исследования случайной погрешности ДГ с оптическим датчиком угла, имеющим две и более измерительные головки (ДГСП-метод), позволяет определять характеристики случайного процесса в режиме самотестирования.

4. Нестационарность случайных процессов, характеризующих случайную погрешность ДГ, построенных с использованием шариковых подшипников, устраняется при помощи фильтрации верхних частот, частота среза которой определяется частотой вращения шпинделя ДГ.

Научная новизна.

В процессе проведения исследований получены новые научные результаты:

- Метод исключения систематической погрешности кольцевого лазера в ДГ, сосредоточенной на первой гармонике частоты вращения, реализуемый при реверсивном вращении кольцевого лазера.

- ДГСП-метод, позволяющий определять случайную погрешность ДГ и оптического датчика угла, входящего в его состав, без использования дополнительных средств измерения.

- Методика выставки нуль-индикатора в лазерном динамическом гониометре в положение минимальной систематической погрешности, основанная на реверсивном методе.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

1. Разработан и реализован на практике ДГСП-метод, позволяющий определять случайную погрешность ДГ и входящего в его состав оптического датчика угла, без использования дополнительных средств измерения на стадии выходного контроля.

2. Разработан и реализован на практике реверсивный метод, позволяющий устранять систематическую погрешность кольцевого лазера в ДГ, сосредоточенную на первой гармонике частоты вращения, без его разворотов.

3. Реализована на практике методика выставки нуль-индикатора в положение минимальной систематической погрешности.

4. Проведены исследования с использованием предложенных методов ДГ различной точности, предназначенных для контроля преобразователей угла.

Реализация и внедрение результатов работы.

Теоретические положения, методы и результаты исследований диссертации использованы:

- при выполнении научно-исследовательской работы 2012-2014 гг. № У-2012-2/2 по теме «Разработка лазерного динамического гониометра с улучшенными характеристиками» в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере;

- при выполнении научно-исследовательской работы 2012-2013 гг. № 14.132.21.1427 по теме «Разработка методов рационального выбора альтернатив в лазерной гониометрии» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»;

- при выполнении научно-исследовательской работы 2011-2013 гг. № 16.740.11.0721 по теме «Разработка методов повышения точности гониометрических систем» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»;

- в ОКР «Разработка оптоэлектронной измерительной системы военного эталона плоского угла ВЭ-35» для МО РФ, шифр «Аксоль-ВЭ-35/1»;

- в ОКР «Разработка и изготовление гониометрической установки для измерения функциональных параметров преобразователей» шифр «Привод-8-ГУ», выполненной по договору №7078/ЛИНС-73 от 25 ноября 2011г.

Апробация.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Международная конференция «Оптика лазеров» (2010), Санкт-Петербург, Россия.

- Международная конференция «Лазеры. Измерения. Информация» (2011, 2012), Санкт-Петербург, Россия.

- Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых «Навигация и управление движением» (2010-2012), Санкт-Петербург, Россия.

- Всероссийская научно-техническая конференция «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях» «СУДОМЕТРИКА-2012».

- Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ) (2010-2012), Санкт-Петербург, Россия.

Публикации.

Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 8 публикациях, в том числе 3 научные статьи в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 5 - в научных сборниках и трудах российских и международных конференций.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения. Она изложена на 123 страницах машинописного текста; включает 50 рисунков, 9 таблиц и содержит список литературы из 66 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи исследования, научные и практические результаты, основные положения, выносимые на защиту.

В цервой главе проведен анализ существующих преобразователей угла (ПУ) и средств их калибровки - динамических гониометров (ДГ).

Существует широкий спектр ПУ, использующих различные структурные, физические и другие принципы построения. Согласно маркетинговым исследованиям, с каждым годом прирост рынка ПУ составляет 4,7%, причем на 81% этот прирост обеспечивается за счет магнитных и оптических ПУ. Традиционные средства метрологического контроля ПУ - делительные головки, сравнение с образцовой шкалой, задаваемой угловой мерой совместно с автоколлиматором, имеют малое разрешение, большую погрешность и осуществляют контроль ПУ в статическом режиме.

Разработка ДГ позволила решить важную метрологическую задачу контроля ПУ различных типов, работающих в динамическом режиме. Принцип контроля ПУ при помощи ДГ заключается в сравнении их показаний с образцовой угловой шкалой, которая реализуется в основном оптическими датчиками

угла (ОДУ) и кольцевыми лазерами (КЛ). Угловая шкала КЛ, образуемая структурой электромагнитного поля внутри резонатора КЛ, обладает высокой равномерностью и разрешением.

К настоящему времени накоплен огромный опыт разработки лазерных динамических гониометров (ЛДГ) [1-3] и методов повышения их точности [2, 3]. Недостатком применения ЛДГ в задачах калибровки ПУ является ограниченный динамический диапазон работы КЛ, вследствие чего получили распространение ДГ с ОДУ.

Слабой стороной ОДУ является недостаточно высокая разрешающая способность и относительно большая величина систематической погрешности. С этими недостатками ОДУ борются с использованием интерполяторов сигнала и методов компенсации систематической погрешности, которая определяется на стадии выходного контроля методами авто- и кросс- калибровки, для реализации которых требуется второй преобразователь угла. В России в качестве второго преобразователя используется КЛ, имеющий погрешность, сосредоточенную на первой гармонике частоты вращения, которая может быть устранена предложенным в работе [3] модифицированным методом кросс-калибровки. Однако для осуществления процедуры модифицированной кросс-калибровки необходимы развороты КЛ, проведение которых в ряде случаев невозможно. Например, в промышленном образце гониометра ДГ-ОЗЛ, зарегистрированном в государственном реестре СИ РФ под номером 43296-09. Актуальной задачей является разработка метода исключения систематической погрешности КЛ, не требующего его разворотов относительно ОДУ.

Помимо определения систематической погрешности ОДУ для введения поправок к результату измерения, на стадии выходного контроля оценивается случайная погрешность. Требуется разработка метода исследования случайной погрешности, позволяющего выявлять ее источники, в режиме самотестирования, т.е. без использования дополнительных средств измерения.

Глава 2 посвящена разработке и исследованию метода исключения систематической погрешности КЛ.

Систематическая погрешность ДГ в основном определяется погрешностью ОДУ, которая может быть найдена при использовании угловой шкалы КЛ в качестве образцовой. С этой целью в состав ДГ вводится КЛ, организуется измерение угла поворота шпинделя ДГ кольцевым лазером по сигналам ОДУ, которые вырабатывают угловые интервалы измерения. Разница в результатах измерения КЛ и ОДУ определяет систематическую погрешность ОДУ. Однако, определенная таким образом, погрешность ОДУ искажается систематической погрешностью угловой шкалы КЛ. Для решения этой проблемы в диссертационной работе рассмотрен реверсивный метод, позволяющий устранять системати-

ческую погрешность КЛ. Данный метод характерен тем, что для его применения не требуется осуществлять развороты КЛ.

В основе реверсивного метода лежат три положения:

1. Погрешность ДГ в основном определяется погрешностью ОДУ, входящего в его состав.

2. Систематическая погрешность ОДУ (Аоду(фг)) понимается как отклонение действительного значения угла от его номинального значения и при вращении «по» и «против» часовой стрелки отличается знаком:

д ОДУ (Ф'1) = -ДОДУ (Ф^-у) >

где N - число штрихов ОДУ, г, ] - индексы углов поворота при вращении «по» и «против» часовой стрелки соответственно.

3. Систематическая погрешность КЛ понимается как неравномерность его шкалы не зависит от направления вращения:

А КЛ (Ф/' ■1) = АКЛ (ф^-у>' где Т - период оборота шпинделя ДГ.

Для исключения систематической погрешности КЛ реверсивным методом необходимо:

1) провести измерения углов поворота шпинделя ДГ при его вращении «по» и «против» часовой стрелки;

2) найти систематическую погрешность ДГ при вращении «по» и «против» часовой стрелки (А(фг),А(фту_у));

3) провести преобразование: А(фу ) —>-Д(фдг_у).

4) найти систематическую погрешность ОДУ согласно выражению:

долу(Ф/) =

Л(ф/)-Д(фЛг_7-)

ОДУ^т!' ~~ 2

Для подтверждения достоверности реверсивного метода проведено его сравнение с модифицированным методом кросс-калибровки [3]. При реализации обоих методов экспериментальные исследования проводились в течение 25 оборотов шпинделя ДГ при съеме измерительной информации с Не-Ке КЛ типа ГЛ-1 по сигналам ОДУ А-205 при скоростях вращения 60°/с, 120% и 3607с. Процедура модифицированной кросс-калибровки осуществлялась в 4-х положениях КЛ, а реверсивный метод - в 1-м положении КЛ, но при вращении в двух направлениях. В диссертационной работе показано, что результаты, полученные обоими методами, совпадают в пределах случайной погрешности, СКО которой составило 0,01".

Вследствие несовпадения скоростей вращения «по» и «против» часовой стрелки возникает методическая погрешность реверсивного метода. Запишем выражение для методической погрешности:

Ат = \ (АКЛ (Ф/ >Т\)~ АКл(ФуУ-7 , ^ )), где Ту, Т2 — период оборота при вращении «по» и «против» часовой стрелки соответственно.

Проведено математическое моделирование реверсивного метода, позволившее определить зависимость методической погрешности от разницы времен оборотов. Для этого генерировалась систематическая погрешность КЛ, сосредоточенная на первой гармонике частоты вращения:

А КЛ Ген (Ф/.:Т\) = АКЛ (Ф/, П ) + 5х(|), где Дкл(ф1.,Г1) = ЖГ1)со8(ф1.-ф0);

ЛКЛген(ф^-у-) = ДКЛ (ФТУ-у ) + - У), где А^((Рх^^) = Л(Т2)со5(фх^ -ф0), где Дргд(фг-,71), Акл(Фл^-у>^2) ~~ систематическая погрешность КЛ, при вращении «по» и «против» часовой стрелки соответственно;

А(Т{), Л(Т2) ~ амплитуда первой гармоники систематической погрешности КЛ, при вращении «по» и «против» часовой стрелки соответственно; 81(1), 62 (А^ — У) — случайные величины, распределенные по нормальному закону с СКО 0,01", характеризующие случайную погрешность ДГ.

При моделировании использовалась зависимость систематической погрешности КЛ от времени оборота для ГЛ-1, полученная модифицированным методом кросс-калибровки (А(Т) =0,01 *Т).

В результате математического моделирования определена зависимость величины методической погрешности от разницы времен оборотов при вращении «по» и «против» часовой стрелки, она представлена кривой 1 на рис. 1. Кривой 2 на рис. 1 показан уровень За случайной погрешности ДГ. Точка пересечения кривых 1 и 2 (рис. 1) определяет допустимую разницу времен оборотов при вращении «по» и «против» часовой стрелки. Отсюда следует, что для КЛ типа ГЛ-1 при СКО 0,01" при разнице времен оборотов, не превышающей 1с, методическая погрешность реверсивного метода лежит в пределах случайной погрешности.

Результаты математического моделирования подтверждены экспериментальными результатами, представленными в работе.

В диссертационной работе рассматривается использование реверсивного метода для повышения точности ЛДГ. Его применение позволяет не только устранять систематическую погрешность КЛ, но и проводить упрощенную, по сравнению с Рис. 1. Результаты математического моде- г_п

лирования реверсивного метода: 1 - зависи- предложенной в [3], процедуру вы-мость методической погрешности от разницы ставки нуль-индикатора (НИ), времен оборотов при СКО 0,01"; 2 - уровень НИ используется в ЛДГ для фикса-случайной погрешности (За) ции положения многогранной призмы

(МП) в динамическом режиме. Сложность выставки НИ заключается в том, что его систематическая погрешность, так же, как и систематическая погрешность КЛ, сосредоточена на первой гармонике частоты вращения. Исключение систематической погрешности КЛ реверсивным методом позволяет применить процедуру выставки НИ, которая заключается в:

а) наклоне измерительной плоскости НИ на угол [5;

б) измерении углов МП;

в) определении систематической погрешности НИ путем вычитания из измеренных значений углов МП действительных значений углов МП;

г) определении амплитуды первой гармоники систематической погрешности НИ;

д) наклоне измерительной плоскости НИ на угол у и повторении п. а) - г);

е) построении зависимости амплитуды первой гармоники систематической погрешности НИ от угла наклона его измерительной плоскости;

ж) нахождении точки пересечения зависимости с осью абсцисс;

з) выставке измерительной плоскости НИ в положение, соответствующее точке пересечения зависимости амплитуды систематической погрешности НИ с осью абсцисс.

Описанная методика выставки НИ апробирована на ЛДГ ДГ-03Л. Съем данных производился по сигналам НИ, вырабатывающего импульсы в моменты времени, когда очередная грань призмы перпендикулярна его световому пучку. На рис. 2 представлены результаты аттестации 8-гранной призмы, полученные

1 I 1

5

I ■ _ 2

дт,... с

без компенсации систематической погрешности КЛ и выставки НИ в положение минимальной систематической погрешности (кривая 1), после компенсации систематической погрешности КЛ (кривая 2) и после компенсации погрешностей КЛ и НИ.

Угол,... °

Рис. 2. Систематическая погрешность ДГ-ОЗЛ при калибровке 8-гранной призмы: 1 -без компенсации погрешностей KJI и НИ; 2 - после компенсации систематической погрешности КЛ; 3 - после компенсации систематической погрешности КЛ и установки измерительной плоскости НИ

Из рис. 2 следует, что использование реверсивного метода и методики выставки НИ позволило уменьшить амплитуду систематической погрешности ДГ-ОЗЛ с 0,2" до 0,05".

Глава 3 посвящена разработке метода исследования случайной погрешности ДГ на стадии выходного контроля (ДГСП-метода).

Особенностью предлагаемого ДГСП-метода является возможность определения случайной погрешности ДГ в режиме самотестирования. ДГСП-метод реализуется при использовании ОДУ, имеющего две и более измерительные головки.

При вращении шпинделя ДГ с измерительных головок ОДУ снимаются

ps¡n р COS

сигналы, определяющие углы поворота: щт , <pfm , где г - номер измерения

внутри оборота; т - номер оборота; sin, cos - обозначение квадратурных сигналов, снимаемых с двух фотоприемников одной головки; р= 1,2 — номер измерительной головки.

Сигналы, снимаемые с одной головки ОДУ, менее всего подтверждены влиянию возмущающих факторов, поэтому можно считать, что они определяют

погрешность ОДУ. Сигналы с двух диаметрально расположенных головок ОДУ, определяющие угловую величину, измеряемую ДГ, испытывают влияние возмущающих факторов, обусловленных вращением шпинделя. Таким образом, по этим сигналам можно оценить погрешность ДГ.

ДГСП-метод включат в себя:

1. Нахождение массива случайных величин, характеризующих случайную погрешность ДГ, из результатов многократных измерений углов поворота шпинделя ДГ, полученных по сигналам у}^ и ц>}£08:

_ ДГ ДГ ДГ 2со8 1созч/2 _дг 1 ^ дг очгт-(Р т фг >где Ф/т ~ +Ф™ )12-> Ф7 =—

м т=\

2. Нахождение массива случайных величин, характеризующих случайную погрешность ОДУ, из результатов многократных измерений углов поворота шпинделя ДГ, полученных по сигналам <р:

т т=1

3. Анализ полученных массивов случайных величин и построение вариации Аллана, позволяющей определить источники случайной погрешности.

Вариация Аллана в точке т вычисляется согласно выражению

<г(т) =---У(5/-6М)2, 0)

2(^-1)

где т - интервал съема данных;

3 - случайные величины Зф^ из п. 1 или 5ф^У из п. 2;

Для получения а (2т) из исходных данных (8) образуется новая последовательность:

у У = (62, +52;+1)/2> j = 0Х...,N/2-1 (2)

и повторяются расчеты по (1). Значения вариации Аллана в точках 4т, 8т и т. д. находятся с использованием алгоритма, представленного выражениями (1) и (2). Для идентификации шума и определения его характеристик строят зависимость сг(т) в логарифмическом масштабе.

Экспериментальные исследования проводились на ДГ с ОДУ фирмы Леий/га^. Сигналы Ц))^ и ф^08 снимались в течение 25 оборотов шпинделя ДГ. Полученные во всех случаях вариации Аллана являются результатом усреднения по нескольким реализациям.

¥

Кривой 1 рис. 3 представлена вариация Аллана случайных величин, характеризующих случайную погрешность ОДУ, она имеет наклон «—1/2», что свидетельствует о наличии белого шума, предположительно вызванного шумами фотоприемных устройств и погрешностью дискретизации.

Кривая 2 рис. 3 характеризует случайную погрешность ДГ, полученную ДГСП-методом.

Кривой 3 рис. 3 представлена вариация Аллана случайной погрешности ДГ, полученная в режиме аттестации ДГ с использованием МП и НИ.

Кривые 2 и 3 рис. 3, полученные с использованием разных методов, совпадают при использовании фильтрации верхних частот, обоснование использования которой приведено ниже в главе 4, что говорит о достоверности ДГСП-метода.

0.1

0.01

1Е-3

••V

0.1

Рис. 3. Вариации Аллана случайной погрешности: 1 - ОДУ, полученной ДГСП-методом; 2 -ДГ, полученной ДГСП-методом; 3 - ДГ, полученной в режиме аттестации ДГ с использованием МП и НИ

В диссертационной работе ДГСП-методом исследованы источники случайной погрешности ДГ. Показано, что применение шариковых подшипников при построении ДГ приводит к появлению нестационарности массивов случайных величин, характеризующих случайную погрешность.

Глава 4 посвящена исследованию динамических гониометров для калибровки преобразователей угла с использованием реверсивного и ДГСП-методов.

Состав исследуемых ДГ сведен в таблицу.

Таблица

Состав исследуемых динамических гониометров

ДГ 1 ДГ 2 ДГЗ

Образцовый преобразователь угла ОДУ А-205 ОДУ Ие/иякаи' Кехт ОДУ А-205

Тип подшипника Радиально-упорный шариковый, класс точности 4 Радиально-упорный шариковый, класс точности 4 Аэростатический

Случайная погрешность определялась согласно ДГСП-методу. Вариация Аллана случайной погрешности ДГ1 представлена кривой 1 на рис. 4, характер которой говорит о присутствии случайного дрейфа и гармонических колебаний со случайными параметрами.

Согласно работе [4], можно сделать вывод о том, что основным источником появления случайного дрейфа и гармонических колебаний со случайными параметрами является процесс коллективного перемещения шариков на частоте близкой к половинной частоте вращения шпинделя ДГ.

0.1 0.01 ь" 1Е-3 1Е-4

т:

ъ •а

1Е-3 0.01 0.1 1

X,... С

Рис. 4. Вариации Аллана случайной погрешности: 1 - ДГ1 без фильтрации; 2 - ДГ1 с фильтрацией; 3 - ДГЗ

Для устранения влияния этих факторов использовалась фильтрация верхних частот (/ср </і, где /ср — частота среза, _/] — первая гармоника частоты

вращения). Вариация Аллана в этом случае представлена кривой 2 на рис. 4. После применения фильтрации массивы случайных величин, характеризующих случайную погрешность, являются стационарными. Закон распределения соответствует закону распределения Релея с параметром 0,26 и СКО 0,06".

Несмотря на то, что в ДГ2 использован ОДУ, обладающий большей систематической погрешностью, случайная погрешность ДГ2 носит тот же характер, что и в ДГ1.

Вариация Аллана случайной погрешности ДГЗ, представлена кривой 3 на рис. 4, характер которой указывает на то, что основным источником случайной погрешности является белый шум. Закон распределения соответствует нормальному. СКО случайной погрешности ДГЗ составило 0,03".

Систематическая погрешность ОДУ определялась реверсивным методом.

Для определения систематических погрешностей ОДУ, входящих в состав исследуемых ДГ, использовался КЛ типа ГЛ-1. Съем данных с КЛ осуществлялся по сигналам ОДУ в течение 25 оборотов шпинделя ДГ.

На рис. 5а показана систематическая погрешность ОДУ Леи/я/адм' Яехт в составе ДГ2, она лежит в пределах ±1,5". На рис. 56 приведена систематическая

погрешность ОДУ А-205, входящего в состав ДГ1 и ДГЗ, лежащая в пределах ±0,2"; следует отметить, что она определена при исследованиях ДГЗ. В ДГ1 превалирующей является случайная погрешность, поэтому систематическую погрешность ОДУ А-205 выявить не удалось.

50 100 150 200 250 300 350 400 Угол поворота, ...

0 50 100 150 200 250 300 350 400 Угол поворота, ...

а) б)

Рис. 5. Результаты исследования систематической погрешности ОДУ в составе:

а) ДГ2; б) ДГЗ

В диссертационной работе проводилась калибровка ДГ согласно поверочной схеме ГОСТ 8.266-77 при помощи МП.

В результате калибровки определено, что динамический гониометр ДГ2 с ОДУ йеимйгш Яехт, который имеет значительную систематическую погрешность, и ДГ1 с ОДУ А-205, использующие шариковые подшипники, обладают равными точностными характеристиками. Суммарная погрешность составила 0,3" и 0,2" без использования фильтрации верхних частот и с использованием соответственно.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы:

1. Применение реверсивного метода позволяет:

- снизить систематическую погрешность КЛ в ДГ, сосредоточенную на первой гармонике частоты вращения, без его разворотов;

- применить упрощенную процедуру выставки нуль-индикатора и тем самым снизить систематическую погрешность ЛДГ ДГ-03Л с 0,2" до 0,05".

2. Применение ДГСП-метода позволяет определять случайную погрешность ДГ и ОДУ в его составе в режиме самотестирования. Исследования источников случайной погрешности с использованием ДГСП-

метода показали, что массивы случайных величин угла при измерениях на ДГ с шариковым подшипником, являются нестационарными.

3. Исследования ДГ различной точности показали, что в ДГ с шариковым подшипником необходимо использовать фильтрацию верхних частот для устранения нестационарности массивов случайных величин, характеризующих случайную погрешность. Применение фильтрации позволяет повысить точность ДГ с шариковым подшипником в полтора раза.

Цитированная литература

1. Бурнашев, М. Н. Развитие методов и средств лазерной динамической гониометрии / М. Н. Бурнашев, Д. П. Лукьянов, П. А. Павлов, Ю. В. Филатов // Квантовая электроника. - 2000. - т.ЗО (№2). - с. 141 - 146.

2. Павлов, П. А. Разработка и исследование высокоточных лазерных гониометрических систем: автореф. дис. ...д-ра техн. наук // П. А. Павлов; СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - Санкт-Петербург. - 2008.

3. Баринова, Е. А. Разработка и исследование методов повышения точности гониометрических систем: автореф. дис. ...к-та техн. наук // Е. А. Баринова; СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - Санкт-Петербург. - 2009.

4. Анурьев, В. И. Справочник конструктора-машиностроителя / В. И. Анурьев // Москва: Машиностроение. - 2001.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК России:

1. Иващенко, Е. М. Результаты исследования погрешности гониометрической системы / Баринова Е. А., Иващенко Е. М., Павлов П. А. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». - 2010. - №5. - с. 98-103.

2. Иващенко, Е. М. Метод и результаты исследования случайной погрешности оптического датчика угла / Е. А. Баринова, С. В. Гордеев, Е. М. Иващенко, П. А. Павлов //Метрология - 2011. - №7. - с. 17-25.

3. Иващенко, Е. М. Метод устранения влияния магнитного поля в лазерном динамическом гониометре / Е. М. Иващенко, П. А. Павлов // Измерительная техника - 2012. - №10. - с. 18-22

Другие статьи и материалы конференций

4. Иващенко, Е. М. Повышение точности лазерной гониометрической системы /Баринова Е. А., Иващенко Е. М., Кошель Н. Ю., Павлов П. А. // Гироскопия и навигация. - 2010. - №2. - с. 93.

5. Иващенко, Е. М. Кольцевой лазер в прецизионных угловых измерениях / Баринова Е. А., Иващенко Е. М., Павлов П. А. // Сборник докладов 21-й Международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация 2011» - СПб.: Издательство Политехнического университета. —

2011. -том.1 - с.62-75.

6. Иващенко, Е. М. Метод и результаты исследования случайной погрешности оптического датчика угла / Иващенко Е. М. // Материалы XIII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» - 2011. - с. 222-228.

7. Иващенко, Е.М. Метод и результаты исследования случайной погрешности динамического гониометра / Баринова Е.А., Иващенко Е.М., Масленок Е.Д., Павлов П.А. // Сборник докладов 22-й международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация - 2012». -

2012.-том 1.-е. 169-180.

8. Иващенко, Е. М. Лазерный динамический гониометр с улучшенными характеристиками / Иващенко Е. М. // Материалы XIV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». - 2013. - с. 251-256.

Подписано в печать 16.10.13. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 115. Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

На правах рукописи

04201451556

Иващенко Елена Михайловна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ГОНИОМЕТРОВ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА

Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -д.т.н. П.А. Павлов

Санкт-Петербург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ......................................................................................................2

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ...........................................4

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................5

ГЛАВА 1 ДИНАМИЧЕСКИЕ ГОНИОМЕТРЫ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА....................................................................................10

1.1. Преобразователи угла..........................................................................10

1.2. Средства контроля преобразователей угла............................................14

1.2.1. Традиционные средства контроля преобразователей угла...........14

1.2.2. Динамические гониометры...............................................................16

1.3. Существующие методы исследования ДГ.........................................22

1.3.1. Методы исследования ДГ на стадии выходного контроля...........22

1.3.2. Метод калибровки ДГ.......................................................................26

Выводы по главе 1...........................................................................................31

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИСКЛЮЧЕНИЯ СИСТЕМАТИЧЕСКОЙ ПОГРЕШНОСТИ КЛ..........................................................33

2.1. Разработка метода исключения систематической погрешности КЛ (реверсивный метод).................................................................................................33

2.1.1. Математическое моделирование реверсивного метода................37

2.1.2. Экспериментальные исследования реверсивного метода.............40

2.2. Применение реверсивного метода в лазерной гониометрии..............45

2.2.1. Методика выставки НИ в положение минимальной систематической погрешности.............................................................................47

2.2.2. Экспериментальные исследования методики выставки НИ в положение минимальной систематической погрешности................................48

Выводы по главе 2...........................................................................................51

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ СЛУЧАЙНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ДГ.....................................................................................................53

3.1. Исследование случайной погрешности основных элементов ДГ.......53

3.2. Разработка метода исследования случайной погрешности ДГ на стадии выходного контроля (ДГСП-метод)............................................................55

3.3. Исследование источников случайной погрешности.............................68

3.3.1. Исследование источников случайной погрешности ОДУ в составе ДГ...............................................................................................................68

3.3.2. Исследование источников случайной погрешности ДГ................69

Выводы по главе 3...........................................................................................79

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ГОНИОМЕТРОВ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА........................................................81

4.1. Состав исследуемых ДГ...........................................................................81

4.2. Исследование ДГ на стадии выходного контроля................................84

4.2.1. Результаты исследования ДГ1.........................................................85

4.2.2. Результаты исследования ДГ2.........................................................91

4.2.3. Результаты исследования ДГЗ.........................................................96

4.3. Калибровка ДГ........................................................................................108

4.3.1. Результаты калибровки ДГ1...........................................................108

4.3.2. Результаты калибровки ДГ2...........................................................113

Выводы по главе 4.........................................................................................116

Заключение.........................................................................................................117

Список литературы............................................................................................118

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ДГСП-метод - метод исследования случайной погрешности динамического гониометра;

ГПЭ - государственный первичный эталон;

ИВК - измерительно-вычислительный комплекс;

КЛ - кольцевой лазер;

ЛДГ - лазерный динамический гониометр;

МП - многогранная призма;

НИ - нуль-индикатор;

ОДУ - оптический датчик угла;

ПУ - преобразователь угла;

СКО - среднее квадратическое отклонение;

СПМ - спектральная плотность мощности.

ВВЕДЕНИЕ

В связи с непрерывным ростом степени автоматизации различных областей человеческой деятельности увеличиваются объемы производства преобразователей угла (ПУ), растут требования к их точности и быстродействию. Характеристики ПУ во многом определяют функциональные и точностные возможности систем, в которых они применяются. ПУ используются везде, где необходимы автоматизация и контроль процессов перемещений: в спутниках, в системах ориентации солнечных батарей, робототехнике, автоматизированных комплексах, на атомных станциях, аппаратах аэрографической съемки, радиолокационных станциях, системах навигации, высокоточном оружии и пр. ПУ устанавливаются непосредственно на контролируемые объекты, поэтому они должны измерять углы в широком динамическом диапазоне. В настоящее время существуют ПУ с погрешностью порядка долей угловой секунды.

Задача контроля ПУ решается с помощью средств динамической гониометрии. Для аттестации современных высокоточных ПУ требуются динамические гониометры (ДГ) с точностью, достигающей сотых долей угловой секунды, позволяющие контролировать ПУ в широком диапазоне угловых скоростей. Задача повышения точности ДГ может быть решена как совершенствованием технических средств, так и методов измерений.

Целью работы является разработка методов исследования динамических гониометров, предназначенных для калибровки преобразователей угла.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1. Разработка метода исключения систематической погрешности КЛ в динамических гониометрах, сосредоточенной на первой гармонике частоты вращения;

2. Разработка метода исследования случайной погрешности ДГ с оптическим датчиком угла (ОДУ), исключающего применение дополнительных средств измерения;

3. Экспериментальная апробация предложенных методов;

4. Исследования ДГ для калибровки преобразователей угла с использованием разработанных методов.

Научная новизна. В процессе проведения исследований получены новые научные результаты:

• Метод исключения систематической погрешности кольцевого лазера в динамическом гониометре, сосредоточенной на первой гармонике частоты вращения, реализуемый при реверсивном вращении кольцевого лазера.

• ДГСП-метод, позволяющий определять случайную погрешность динамического гониометра и оптического датчика угла, входящего в его состав, без использования дополнительных средств измерения.

• Методика выставки нуль-индикатора в лазерном динамическом гониометре в положение минимальной систематической погрешности, основанная на реверсивном методе.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

1. Разработан и реализован на практике ДГСП-метод, позволяющий определять случайную погрешность динамического гониометра и

входящего в его состав оптического датчика угла, без использования дополнительных средств измерения на стадии выходного контроля.

2. Разработан и реализован на практике реверсивный метод, позволяющий устранять систематическую погрешность кольцевого лазера в динамическом гониометре, сосредоточенную на первой гармонике частоты вращения, без его разворотов.

3. Реализована на практике методика выставки нуль-индикатора в положение минимальной систематической погрешности.

4. Проведены исследования с использованием предложенных методов динамических гониометров различной точности, предназначенных для контроля цифровых преобразователей угла.

На защиту выносятся:

1. Реверсивный метод исключает систематическую погрешность кольцевого лазера, сосредоточенную на первой гармонике частоты его вращения.

2. Методика выставки интерференционного нуль-индикатора, основанная на реверсивном методе, минимизирует систематическую погрешность лазерного динамического гониометра.

3. Метод исследования случайной погрешности динамического гониометра с оптическим датчиком угла, имеющим две и более измерительные головки, (ДГСП-метод) позволяет определять характеристики случайного процесса в режиме самотестирования.

4. Нестационарность случайных процессов, характеризующих случайную погрешность динамических гониометров, построенных с использованием шариковых подшипников, устраняется при помощи фильтрации верхних частот, частота среза которой определяется частотой вращения шпинделя динамического гониометра.

Реализация и внедрение результатов работы.

Теоретические положения, методы и результаты исследований диссертации использованы:

- при выполнении научно-исследовательской работы 2012-2014 гг. № У-2012-2/2 по теме «Разработка лазерного динамического гониометра с улучшенными характеристиками» в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере;

при выполнении научно-исследовательской работы 2012-2013 гг. № 14.132.21.1427 по теме «Разработка методов рационального выбора альтернатив в лазерной гониометрии» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»;

- при выполнении научно-исследовательской работы 2011 -2013 гг. № 16.740.11.0721 по теме «Разработка методов повышения точности гониометрических систем» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»;

- в ОКР «Разработка оптоэлектронной измерительной системы военного эталона плоского угла ВЭ-35» для МО РФ, шифр «Аксоль-ВЭ-35/1»;

- в ОКР «Разработка и изготовление гониометрической установки для измерения функциональных параметров преобразователей» шифр «Привод-8-ГУ», выполняемой по договору №7078/ЛИНС-73 от 25 ноября 2011г.

Апробация.

I

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Международная конференция «Оптика лазеров» (2010), Санкт-Петербург, Россия.

Международная конференция «Лазеры. Измерения. Информация» (2011, 2012), Санкт-Петербург, Россия.

- Всероссийская научно-техническая конференция молодых ученых «Навигация и управление движением» (2010-2012), Санкт-Петербург, Россия.

- Всероссийская научно-техническая конференция «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях» «СУДОМЕТРИКА-2012».

- Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (ЛЭТИ) (2010-2012), Санкт-Петербург, Россия.

Публикации.

Основные теоретические и практические результаты диссертации изложены в 8 публикациях, среди которых 3 научных статьи в ведущем рецензируемом издании, рекомендованном в действующем перечне ВАК, 5 - в научных сборниках и трудах российских и международных конференций.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав с выводами и заключения. Она изложена на 123 страницах машинописного текста; включает 50 рисунков, 9 таблиц и содержит список литературы из 66 наименований.

ГЛАВА 1 ДИНАМИЧЕСКИЕ ГОНИОМЕТРЫ ДЛЯ КАЛИБРОВКИ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УГЛА

1.1. Преобразователи угла

Преобразователи угла (ПУ) - устройства, предназначенные для преобразования угла поворота в электрические сигналы [1]. ПУ позволяют решать задачу измерения углового положения объекта в широком диапазоне скоростей вращения. Они используются в системах навигации, высокоточном оружии, информационно-управляющих системах, буровых установках, машиностроении, системах управления подвижными объектами. ПУ устанавливаются на приводы прокатных станов, координатных столов, электрических задвижек, кранов, упаковочных агрегатов, лифтов, устройств выбора якоря на судах и т.д. и т.п.

Характеристики ПУ во многом определяют функциональные и точностные возможности систем, в которых они применяются [1]. Поэтому к точности и диапазону угловых скоростей, в которых функционирует ПУ, предъявляются высокие требования. Эти требования определяют необходимость использования современных систем их метрологического контроля.

Классификация ПУ

Существует много разновидностей ПУ, их разнообразие объясняется не только широким спектром решаемых ими функциональных задач, но и возможностью использования различных структурных, физических и других принципов их построения. Классификация ПУ, выработанная на основе [2], представлена в таблице 1.

Таблица 1 Классификация ПУ

Признак Вид ПУ

По типу выходного сигнала Аналоговые

Цифровые

По количеству отсчетов Одноотстчетные

Многоотсчетные

По физическому принципу Механические

Магнитные

Оптические

По типу конструкции Со встроенным подшипником и муфтой

Со встроенным подшипником без муфты

Без подшипников

Механические ПУ содержат диск из диэлектрика с выпуклыми или нанесенными проводящими участками. Считывание угла поворота диска производится линейкой переключателей или контактов. Одним из факторов, ограничивающих точность механических ПУ, является дребезг контактов, приводящий к неправильному подсчету или определению направления вращения.

Рынок ПУ постоянно увеличивается, причем достигнутый прирост на 81% обеспечивается в основном за счет магнитных и оптических ПУ [3].

Магнитный ПУ включает в себя вал с магнитом и датчик Холла, который регистрирует прохождение магнитных полюсов. Магнитные ПУ обладают небольшими габаритами, что делает их подходящими для применения на осях вращения, на вспомогательных осях, коробках передач и т.п.

Оптические ПУ имеют жестко закрепленный на валу стеклянный диск с оптическим растром. При вращении вала растр перемещается относительно неподвижного растра, вследствие чего модулируется световой поток, принимаемый фотоприемником. Основным плюсом оптических ПУ является практически стопроцентная устойчивость к любым электромагнитным полям.

Однако веским аргументом против их применения является их чувствительность к загрязнениям и повышенной температуре, а также более высокая цена, по сравнению с магнитными ПУ [4].

Как магнитные ПУ, так и оптические, подразделяются на инкрементные (относительные) и абсолютные. Инкрементные ПУ при вращении формируют импульсы, по которым принимающее устройство определяет текущее положение координаты путем подсчета числа импульсов счетчиком. Абсолютные ПУ каждому значению углового положения вала (преобразуемого угла) ставят в соответствие значение числового эквивалента, который формируется на выходе датчика, как правило, в виде сигнала цифрового кода. Отличительной чертой абсолютных ПУ является наличие функции сохранения текущего значения углового перемещения даже при выключенном питании [5].

Наряду с отмеченными классификационными признаками, в определенных условиях применения существенное значение могут приобрести другие особенности ПУ. Например, потребляемая мощность является серьезным критерием при выборе бортовых ПУ. При определении конкретного принципа построения ПУ большое значение имеет сложность их изготовления в условиях серийного производства, а также стоимость их разработки и изготовления. Во многих случаях, особенно при массовом производстве ПУ, эти критерии относятся к числу основных.

Тенденции развития рынка ПУ

Маркетинговые исследования североамериканского рынка ПУ, проведенные компанией Venture Development Corp. [3], показывают текущий объем сегмента ПУ $514,3 млн. с ежегодным приростом 4,7%. По результатам исследований, для оптических ПУ наибольший прирост ожидается в сегменте военного и аэрокосмического оборудования, а для магнитных ПУ - в автомобильных применениях.

По прогнозам ведущих экспертов мира, дальнейшее развитие рынка промышленных ПУ приведет к более активному освоению новых технологий, таких как интеллектуальные системы, беспроводная связь, микромеханические

компоненты, технология Plug and Play, а также различные методы повышения точности [5].

Требования к преобразователям угла

По ГОСТ 26242-90 [6] существует 12 классов точности ПУ. В таблицу 2 сведены пределы допускаемого значения погрешности угловых перемещений в соответствии с классом точности ПУ.

Таблица 2 Классы точности ПУ

Класс точности Предел допускаемого значения погрешности угловых перемещений

001 0,25"

01 0,5"

1 1"

2 2"

3 5"

4 15"

5 30"

6 60"

7 150"

8 300"

9 600"

10 Не нормируется

Исследуемые в работе ДГ предназначены для калибровки ПУ 001 и 01 классов точности.

Основными характеристиками ПУ являются точность преобразования, быстродействие, надёжность работы в широком диапазоне эксплуатационных условий.

1.2. Средства контроля преобразователей угла

Контроль ПУ может осуществляться как при помощи различных угломерных приборов и устройств, так и на основе сравнения измерител�