УДК 681.7

А.П. Бартоломеев, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Г.Н. Воробьев, канд. техн. наук, МГТУ им. Н.Э. Баумана,
В.П. Кулик, ООО "Дистех", Л.А. Соломонов, канд. техн. наук, МГТУ им. Н.Э. Баумана,
А.С. Тельчак, канд. техн. наук, НТЦ ОАО "Красногорский завод им. С.А.Зверева"

ДИСТАНЦИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Рассмотрена концепция построения гибких дистанционных измерительных комплексов, обеспечивающих надежное и быстрое измерение геометрических параметров объектов даже в неблагоприятных условиях окружающей среды.

Статья посвящена исследовательским работам, сформировавшимся к настоящему времени в Программу "Создание и развитие технологии дистанционных измерений" (ТДИ), проводимую с 1992 г. творческим коллективом, включающим МГТУ им. Н.Э. Баумана, НТЦ ОАО "Красногорский завод им. С.А. Зверева" и ООО "Дистех".

Побудительными причинами можно считать ряд нерешенных комплексных задач обеспечения измерения и контроля машиностроительного производства, транспорта, монтажа крупногабаритных объектов, спасательных работ при чрезвычайных ситуациях, монтажа, сборки и стыковки космических станций, экспериментальных исследований и т.п., связанных с измерением и контролем линейных и угловых величин современными измерительными средствами.

Существующие высокоточные измерительные системы – трехкоординатные измерительные машины разработки ведущих зарубежных и отечественных фирм OPTON (МС 550, МС 850, ZMC), Zeiss и KOMTG(C 400, С 700), ЦНИИТИ (КИМ-400М, КИМ-900Р, КИМ-900РМ), АО "ЛАПИК" (КИМ-500, КИМ-750, КИМ-1000) обеспечивают как в ручном, так и в автоматическом режиме измерение линейных размеров деталей сложной геометрической формы с труднодоступными полостями.

В основу метрологической схемы этих разработок заложен метод точечного касания. Съем информации осуществляется как механическим (щупы RST), так и оптическим (лазерно-триангуляционный щуп LTP 60) касанием поверхности детали. Пространственное положение точки касания рассчитывается по перемещению подвижных элементов координатно-измерительной машины (КИМ) системой цифрового измерения этих перемещений, например, цифровой системой измерения линейных перемещений ФОКОСИН (фирмы OPTON), в которой сигналы о перемещении по каждой из трех осей контролируются  с  помощью  электронной  растровой системы и интерполируются до разрешающей способности h = 0,5 мкм. На подвижной штанге, перемещение которой контролируется системой измерения линейных перемещений, устанавливается измерительная трехмерная щуповая головка, работающая со статическим съемом измеренных значений или в режиме сканирования.

Параметры щуповой головки

Длина щупов, мм

60-90

Воспроизводимость касания, мкм

0,15

Измерительное усилие при съеме данных механическим щупом, Н

<0,01

Самый маленький шарик щупа, мм

0,5

 

Высокая разрешающая способность (0,5 мкм) в измерительных машинах обеспечивается, главным образом, за счет конструктивных решений.

Станина КИМ, располагаемая на основании, находится в динамически устойчивом состоянии благодаря системе уравновешенного пневматического виброгашения. Она несет портал с поперечными салазками и пинолью, а также стойку привода центрального портала. Все направляющие элементы, такие как станина, поперечная перекладина и пиноль, изготавливаются из отборного гранита мельчайшей структуры, обладают правильной формой и высокой жесткостью на изгиб. На их точно доведенные поверхности с помощью износоустойчивых подшипников, лишенных трения, опираются салазки с большими базами направляющих. За счет этого достигается прямолинейность движения салазок, прямоугольный ход которых относительно друг друга подвергается точной юстировке. Допустимое отклонение от перпендикулярности любых осей относительно корректирующей прямой .

Пространственное измерение размеров, выполняемое методом точечного касания, осуществляется системой, включающей координатно-измерительную машину, ЭВМ и математическое обеспечение.

Универсальное математическое обеспечение (например, UMESS фирмы Zeiss) позволяет измерять широкий спектр комплексных деталей и решать самые различные метрологические задачи. Оно совместимо с КИМ, использующими метод точечного касания, и программами (например, КИМ, U-SOFT) для автоматического измерения различных поверхностей произвольной формы.

Конструкторские решения, математическое обеспечение, программное обеспечение позволили достигнуть в технике трехкоординатных измерений определение расстояний (, мм) между двумя точками на детали, включая ощупывание, с погрешностью , определяемую зависимостью:

мкм в зоне 380 мм´450 мм´300 мм,

мкм в зоне 700 мм´1000 мм´ ´600 мм,

При наличии системы автоматического учета температуры окружающей среды в пространстве и по времени достигается высокая разрешающая способность (0,2 мкм), что соответствует абсолютной  и относительной  погрешности для:

мм

мкм или %

мм

мкм или %

мм

мкм или %

Погрешность измерения расстояния между двумя точками на детали существенно отличается от точности измерения перемещения щупа вдоль каждой из координат трехкоординатной измерительной системы.

Приведенные результаты достигнуты при использовании измерительных устройств, обеспечивающих получение информации для расчета расстояния между точками касания с разрешающей способностью, равной мкм.

Однако достигнутый в последние годы прогресс в области измерений позволяет изменить концепцию построения измерительных систем.

Измерительная техника как научная дисциплина за последнее десятилетие подверглась качественным изменениям вследствие необходимости решать задачи построения новых сложных систем научного эксперимента и систем комплексной автоматизации технологических процессов. Эти изменения стали возможны благодаря развитию теории и методики обработки измерительной информации с применением вычислительной техники.

Подтверждением этому может служить тот факт, что фирмы, которые в свое время успешно проводили измерения с помощью традиционных измерительных средств, обратились к бесконтактным лазерным измерительным устройствам. Производители измерительных устройств (CyberOptics, Laser Deign Inc. из Миннеаполиса; Cuberware из Монеррей, штат Калифорния; Tetra Precision из Гейнсвил, штат Флорида; Riegl USA Inc. из Орландо и др.) полагают, что в ближайшие годы около 80 % этих устройств будут оптическими.

Для оценки перспектив развития технологии дистанционных измерений, т.е. бесконтактного способа определения пространственного положения измерительного щупа, предлагается ввести понятие коэффициента использования разрешающей способности (КИРС) измерительной системы – отношения потенциальной разрешающей способности  к абсолютной погрешности , позволяющего проводить комплексную сравнительную оценку возможностей измерительных систем.

Сравнение координатно-измерительных систем по КИРС дает представление о потенциальных возможностях способов определения координат точек касания (концевой точки щупа). На рис. 1 представлена зависимость КИРС от измеряемых размеров для КИМ фирмы Carl Zeiss.

Рис. 1

На рис. 1 видно, что высокая разрешающая способность измерительной системы трехкоординатных машин не реализуется при больших расстояниях между точками касания поверхности детали.

В принципе задача измерения размеров деталей сложной формы методом точечного касания решена. Разработаны измерительные машины и измерительные щупы (с механическим и оптическим "ощупыванием"), математическое и программное обеспечение трехкоординатных измерений. Однако механический контроль положения и перемещения измерительного щупа по поверхности детали предъявляет высокие требования к перемещающимся узлам измерительных машин.

Освоение технологии дистанционных измерений, обеспечивающей бесконтактное определение пространственного положения щупа, позволит расширить возможности измерительных средств.

В основу концепции дистанционных измерительных систем (ДИС) положен принцип бесконтактного измерения положения и ориентации объекта в пределах измерительного поля (с высоким пространственным разрешением), формируемого лазерными полупроводниковыми излучателями, работающими в импульсном режиме, длина волны излучения которых лежит в пределах 875-920 нм. Размер измерительной зоны луча, закон изменения ее по дальности, конструкция и поле зрения приемной аппаратуры зависят от требований к конструкции и характеристик объекта.

ДИС обеспечивают косвенное измерение пространственного положения и определения ориентации объекта по характерным – реперным точкам (РТ), расположенным непосредственно на объекте. Координаты реперных точек определяются в некотором, формируемом лазерным излучением, поле измерения (ПИ), перемещающемся в пределах зоны измерения (ЗИ).

Разрабатываемые дистанционные измерительные средства высокой точности, сопряженные с ПЭВМ, предназначены для измерений линейных и угловых параметров объекта по патентнозащищенной технологии [1,2] с использованием методов статистического анализа.

Принцип действия дистанционных измерительных средств, обеспечивающих высокоточные измерения положения и ориентации объекта, поясняется рис. 2.

Рис. 2

На стенде устанавливается информационный передающий блок (ИПБ) в состав которого входят: формирователь измерительного поля (ФИП); высокоточный привод (ПРВТ), осуществляющий наведение центра измерительного поля (ИП) на объект измерения. ПРВТ и ФИП обеспечивают формирование зоны измерения (ЗИ) требуемых для решения данной задачи размеров.

Информационный приемный блок (ИПРБ) устанавливается на объекте измерения. Аппаратура ИПРБ должна определять угловое положение и линейное смещение объекта в системе координат измерительного поля косвенным совокупным измерением координат реперных точек (РТ), которые конструктивно компонуются в блок реперных точек (БРТ). Параметры взаимного положения РТ и самого БРТ относительно объекта априорно известны с высокой точностью. Оптические сигналы в реперных точках преобразуются в электрические импульсы и обрабатываются вычислителем, а по восстановленным проекциям текущего углового положения сканирующих полос, формирующих измерительное поле, определяются координаты объекта в системе координат ИПБ.

За результат измерения, полученного с помощью дистанционного измерительного средства, принимается среднее арифметическое результатов единичных наблюдений.

В основе дистанционных измерений координат и определения ориентации объекта относительно ИПБ лежит принцип косвенного совокупного измерения. В пределах измерительного поля ИП (рис. 3), формируемого двумя сканирующими в ортогональных направлениях плоскими лазерными лучами и направленного на объект, определяются координаты реперных точек БРТ, однозначно связанного с объектом. Угол расходимости излучения фиксируется с высокой точностью.

Рис. 3

Формирование зоны измерения (ЗИ) требуемых для решения конкретной задачи размеров обеспечивает высокоточный привод (ПРВТ), в котором используются высокоточные инкрементные датчики угловых перемещений (разрешающая способность датчика ЛИП-30 до 72 0000 дискрет/оборот).

Прием лазерного излучения (в пределах ИП) осуществляют светочувствительные элементы – реперные точки (РТ), расположенные на объекте измерения. Так как параметры взаимного положения РТ должны быть априорно известны с высокой точностью, РТ конструктивно компонуются в блок реперных точек (БРТ). Сигнал с засвеченной реперной точки обрабатывается

вычислителем, где по восстановленным проекциям для текущего углового положения сканирующей полосы лазерного луча определяются координаты каждой точки.

Для повышения информативности БРТ, в зависимости от которой находятся возможности и результаты осреднения входной и результирующей информации и фильтрации ошибок измерения, объемной фигурой, связывающей РТ в БРТ, выбрана правильная треугольная пирамида, в вершинах которой располагаются реперные точки (рис. 3). Четыре реперные точки обеспечивают измерение ориентации четырех граней пирамиды, что позволяет с помощью вычислений выполнить минимизацию частных ошибок единичных измерений ориентации главной оси пирамиды, однозначно связанной с ориентацией объекта.

Ожидаемые точностные характеристики предлагаемых дистанционных измерительных средств:

·  предельная погрешность линейных измерений (мкм)

;

·  предельная погрешность угловых измерений (миллирад)

,

где (с учетом нормирующих коэффициентов)  – размер стороны зоны измерений (мм); может устанавливаться от 0,01 до 10,0 м;  – расстояние до объекта измерения, может устанавливаться от 1,0 до 40000,0 м.

Имеется возможность уменьшения погрешностей за счет усложнения алгоритмов обработки первичной информации.

Выводы

Предлагаемая технология дистанционных измерений при использовании в ДИС высокоточных инкрементных датчиков, высокочастотных лазерных полупроводниковых излучателей, быстродействующих современных вычислительных средств позволяет формировать измерительное поле (ИП) 10´10 мм с разрешением в доли микрометров, что при соответствующей обработке принятых реперными точками (РТ) сигналов обеспечивает точность определения координат центра РТ с ошибкой менее 1 мкм.

Обработка информации с БРТ обеспечивает точность определения угловых координат ориентации БРТ с ошибкой в единицы угловых секунд. Угловая ошибка не зависит от , а зависит от отношения размеров БРТ и ИП.

Одновременное (за время одного прохода сканирующего луча) определение положения и ориентации двух БРТ, установленных на разных объектах и находящихся в одном ИП, позволяет избежать ошибок, возникающих при последовательном измерении.

Заключение

При разработке концепции дистанционных измерений учитывалось многообразие задач, встречающихся в технике пространственных измерений.

Результаты разработки могут использоваться при создании многофункциональных координатно-измерительных комплексов, аналогов координатно-измерительных машин серии КИМ, при создании дистанционных измерительных средств, обеспечивающих:

·   измерение геометрических величин взаимного расположения перемещающихся объектов;

·   измерение геометрических величин взаимного положения деталей корпуса летательного аппарата в полете;

·   измерение геометрических величин взаимного положения инструмент – деталь в процессе обработки;

·   измерение межцентровых расстояний сквозных отверстий плоских деталей;

·   точное совмещение шаблонов при изготовлении изделий микроэлектронной техники;

·   измерение геометрических величин взаимного расположения стыковочных узлов сборочных деталей, недоступных для визуального контроля, "слепой монтаж";

·   точную посадку беспилотного вертолета ночью и в сложных метеоусловиях;

·   измерение геометрических величин взаимного расположения артиллерийских установок относительно выбранной измерительной системы координат (цели);

·   определение точки наведения оружия;

·   измерение геометрических величин взаимного положения деталей и узлов при сборке орбитальных станций в космических условиях;

·   измерение геометрических величин положения шлема оператора относительно кабины летательного аппарата;

·   измерение геометрических величин взаимного положения деталей роботов и манипуляторов;

·   наведение пожарного вертолета на очаг возгорания и другие задачи, связанные с измерениями и наведением.

Список литературы

1.   Бартоломеев А.П., Березин Г.Д., Бредихин Д.Г., Жирков В.Ф., Зайцев А.В., Кулик В.П., Мамаев В.А., Сидоренко В.Ф., Соломонов Л.А. Патент РФ № 2049980 на Изобретение "Устройство для определения координат точек поверхности объектов". М.: Изобретения, 1995. 242 с.

2.   Бартоломеев А.П., Березин Г.Д., Бредихин Д.Г., Жирков В.Ф., Зайцев А.В., Кулик В.П., Мамаев В.А., Сидоренко В.Ф., Соломонов Л.А. Патент РФ № 2074387 на Изобретение "Способ измерения координат точек поверхностей исследуемых тел щупом". М.: Изобретения. 1997.203 с.