Требования к отчету и зачет. В отчете должны быть представлены:

В отчете должны быть представлены:

- описание устройства ШД и примеры его применения в оптических приборах;

- перечислены характеристики ШД, представлена функциональная схема стенда для контроля точностных характеристик ШД;

- функциональная схема и упрощенная конструкция растрового преобразователя угловых перемещений;

- графики и числовые значения измеренных погрешностей ШД;

- перечислены основные погрешности контрольного стенда и оценена его точность.

 

Для зачета в отчете должны быть представлены ответы на следующие вопросы по лабораторной работе:

1. Каков должен быть «метрологический запас точности» измерительного стенда по сравнению с точностью контролируемого ШД и почему?

2. От каких факторов зависит точность передачи движения от ШД к эталонному преобразователю в случаях, когда их соединяет компенсационная или глухая муфты?

3. Почему в измерительном канале эталонного преобразователя используются четыре фотоприемника, попарно включенные встречно?

4. Как влияет эксцентриситет измерительного растра эталонного преобразователя на его точность и как можно уменьшить или компенсировать это влияние?

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Проектирование оптико-электронных приборов. Под. Ред. Ю.Г. Якушенкова. М., «Логос», 2000.

2. Кулагин В.В. Основы конструирования оптических приборов. Л., Машиностроение, 1982

3. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002.

4. Латыев С.М. Конструирование точных (оптических) приборов. СПб, Политехника, 2007.

5. Латыев С.М. Компенсация погрешностей в оптических приборах. Л., Машиностроение, 1985, с.220-224.

6. www.skbis.ru (Преобразователи угловых перемещений и муфты ЛИР производства СКБ ИС)

7. Муханин Л.Г. Схемотехника измерительных устройств. СПБ., Изд. «Лань», 2009.

8. ПреснухинЛ.Н. и др. Фотоэлектрические преобразователи информации. М., Машиностроение, 1974.

9. Москаленко В.В. Электрический привод. Учебник для ВУЗов. М., Академия, 2007.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5

ЦЕНТРИРОВКА КРУГОВОГО РАСТРА ПО ОСЦИЛЛОГРАФУ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью данной работы является изучение методов повышения точности растровых преобразователей угловых перемещений и способов центрировки круговых измерительных растров.

ЗАДАНИЕ ПО РАБОТЕ

 

1. Ознакомьтесь с устройством и конструкцией растровых преобразователей угловых перемещений и составляющими погрешностей их работы;

2. Изучите методы компенсации влияния погрешностей деления штрихов и эксцентриситетов измерительных растров;

3. Выявите остаточный эксцентриситет растра в лабораторной установке и составьте методику его центрировки

4. Оцените потенциальную точность (чувствительность) способа центрировки растра по осциллографу.

 

 

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В оптических приборах, станках и машинах в качестве преобразователей угловых и линейных перемещений их подвижных элементов используются фотоэлектрические измерительные преобразователи, основанные на растрах, кодовых шкалах, дифракционных решетках и позиционно-чувствительных приемниках, которые играют роль рабочей меры (эталона) перемещения. С теоретическими основами построения ряда фотоэлектрических преобразователей можно познакомиться в работах [1-5].

Преобразователи угловых перемещений на растрах и кодовых дисках (накапливающего типа, абсолютные и комбинированные) нашли наиболее широкое применение в приборостроении и машиностроении и производятся как унифицированные функциональные устройства (модули) [6].

Наиболее высокой точностью работы обладают преобразователи, основанные на измерительном и индикаторном растрах, находящихся в оптическом сопряжении друг с другом, один из которых (обычно измерительный) установлен на измерительном валу преобразователя.

На рис. 1. представлена схема растрового преобразователя с одним измерительным каналом [6].

 

Рис.1. Функциональная схема растрового преобразователя накапливающего типа

Здесь: 1-измерительный (вращающийся) растр; 2- индикаторный (неподвижный) растр; 3,4-светодиоды; 5,6- фотоприемники (кремниевые фотодиоды); 7- конденсор.

 

При вращении измерительного растра 1, закрепленного на измерительном валу 10 преобразователя (см. рис. 2), происходит модуляция светового потока, проходящего от светодиодов 3,4 сквозь индикаторный 2 и измерительный растры на фотоприемники 6 измерительного канала и фотоприемники 5 канала референтных меток. Группы штрихов А,А^´ и В,В на индикаторном растре, имеющие такой же период как и штрихи измерительного растра, изготовлены друг относительно друга со сдвигом в ¼, ½, ¾ периода, поэтому фотоприемники 6 (попарно включенные встречно) вырабатывают квадратурный синусно-косинусный аналоговый сигнал (см.[1], с.122, 323). Этот сигнал преобразуется стандартной электронной схемой [4,5] в счетные

 

 

Рис.2. Конструкция преобразователя ЛИР-158 фирмы СКБ ИС

электрические импульсы, вырабатываемые через 1/4 периода измерительного растра (без учета коэффициента интерполяции), поступающие на входы реверсивного счетчика импульсов. Так как известна угловая цена счетного импульса, то сосчитанное (накопленное) число импульсов определяет искомый угол поворота вала преобразователя, который соединен компенсационной муфтой с объектом измерения.

Штрихи измерительного растра являются мерой угла, поэтому погрешность их деления (расположения), эксцентриситет относительно оси вращения, разноширинность штрихов и разность светопропускания приводят к погрешности работы преобразователя.

Основными из перечисленных первичных погрешностей являются установочный (геометрический) эксцентриситет и погрешность деления.

Погрешность измерения углов преобразователем из-за эксцентриситета определяется следующим выражением [7]

 

Δφ_Δe=[sinθ_н-sin(φ+θ_н]Δe/R,

 

где θ_н - начальное направление вектора эксцентриситета; φ - угол поворота растра от начального до текущего положения; R - рабочий радиус растра.

 

График этой погрешности зависит от начальной фазы вектора эксцентриситета и имеет период 2 p. В случаях, когда θ_н =0 или 180^ºграфик погрешности представляет собой синусоиду. В остальных случаях графики погрешности заключены между функциями (cosφ -1) и (1- cosφ). Это обстоятельство следует учитывать при выявлении гармонической составляющей погрешности от эксцентриситета растра по экспериментальному графику суммарной погрешности преобразователя и её коррекции.

Погрешность деления штрихов растра прямо влияет на точность работы преобразователя, поэтому растры стараются изготавливать как можно точнее (с погрешностью до нескольких угловых секунд), используя прецизионное оборудование, стабилизируя температуру, осуществляя защиту от вибраций и т.д. Исследования погрешности деления штрихов растров и лимбов показали, что она представляет собой переменную нерегулярную величину, содержащую периодическую систематическую и случайную составляющие [7].

Периодическая составляющая может быть представлена рядом Фурье, имеющим четные и нечетные члены разложения:

 

,

 

где α -амплитуда гармоники; k – число нечетных и l - четных членов разложения, соответственно.

Cлучайная составляющая подчиняется закону Гаусса, причем

Δφ_Sv= = 0,

где N - число штрихов растра.

Для уменьшения влияния установочного эксцентриситета растра на точность работы преобразователя, при его сборке производят точную центрировку растра (по центрировочной окружности, по четырём штрихам, по измеренной погрешности угла поворота [7]) (см. также описание лабораторной работы №2 по дисциплине «Проектирование оптико-электронных приборов» [8]).

Для компенсации остаточного эксцентриситета растра в угловых преобразователях движения обычно применяется две отсчетные системы, установленные на диаметрально противоположных участках растра, либо перенос изображения освещенного участка растра на противоположный с увеличением, равным единице [7,8].

Компенсация влияния систематических составляющих погрешностей деления штрихов основана на увеличении числа считывающих систем (обычно до четырёх) или алгоритмическим методом, а случайных составляющих -частичным или полным интегральным считыванием штрихов растра [7] (см. также [1], стр. 307-311).

В данной лабораторной работе моделируется современный метод центрировка растра фотоэлектрического преобразователя вращательного движения с помощью осциллографа [9] (рис.3).

Принцип метода заключается в следующем. При равномерном вращении растра 1 электрический сигнал квазисинусоидальной формы, вырабатываемый считывающей системой 2, преобразуется формирователем 3 в узкий прямоугольный электрический импульс. Квазисинусоидальный сигнал, вырабатываемый считывающей системой 5, установленной на диаметрально противоположной стороне растра, остается неизменным. Оба сигнала подаются на вход осциллографа 4, создавая на его экране фигуру, изображенную на рис. 4.

Из-за установочного эксцентриситета растра и первой гармонической составляющей погрешности деления его штрихов, имеющей период 2p и оказывающей такой же характер влияния на погрешность измерения (поэтому называемой на практике «кинематическим эксцентриситетом»), прямоугольный импульс, играющий роль строб-индекса, перемещается относительно квазисинусоиды (по которой синхронизируется развертка).

Рис.3. Схема центрировки растра по осциллографу

 

Значение «суммарного» эксцентриситета определяется из следующего соотношения

Δe_∑≈ (h_max – h_min/8H) L,

 

где h_max, h_min –координаты максимального и минимального смещения прямоугольного импульса, соответственно; H – амплитуда квазисинусоидального сигнала; L - линейный шаг штрихов растра (см. рис.4).

 

Рис. 4. К определению «суммарного» эксцентрисистета

 

Чувствительность этого метода центрировки весьма высока благодаря масштабному усилению электрических сигналов на осциллографе и высокой чувствительности зрения оператора к определению взаимного смещения прямоугольного импульса и наклонной прямой участка квазисинусоиды.

Для центрировки растра его сдвигают относительно оси вращения (с помощью пьзокерамического вибратора 6; винтового; винто-рычажного съемного юстировочного механизма, или механическим постукиванием (вручную) в направлении, перпендикулярном линии, соединяющей считывающие системы.

Данную операцию выполняют для одного из крайних положений прямоугольного импульса на экране осциллографа (какого именно- определяется экспериментально), которому соответствует направление вектора «суммарного» эксцентриситета перпендикулярное линии, соединяющей считывающие системы. Отъюстированное положение растра может быть зафиксировано на валу (оправе) быстроотвердевающим клеем под действием ультрафиолетового излучения.