Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке способов измерения и задания малых линейных перемещений в оптико-электронных системах бесконтактного контроля геометрических параметров. Суть работы в системном аналитическом обобщении известных способов управления лучом, включающем в себя анализ их функциональных свойств и точностных характеристик. Исследования подчинены решению проблем метрологического обеспечения современных наукоемких технологий и охватывают весь перечень известных в оптотехнике измерительных преобразователей, но основное внимание уделено устройствам с подвижными плоскими зеркалами. Акцент на устройства с плоскими зеркалами обусловлен рядом их свойств, детально показанных в предшествовавших исследованиях (в первую очередь - функциональная полнота и отсутствие аберраций), а другие типы преобразователей рассматриваются с целью показать общность принятого в работе методического подхода в аналитическом описании действия преобразователей, суть которого в том, что рассматривается не ход лучей через элементы преобразователя, а положение изображения источника излучения. Такой подход позволяет унифицировать программное обеспечение процедур выбора, расчета и анализа устройств в процессе их синтеза.
Актуальность работы. Задачи измерения, контроля и задания малых перемещений до настоящего времени не имеют достаточного развитого набора решений. Потребность в таких средствах существует на протяжении нескольких десятилетий, и проблема решается путем создания сложных и дорогостоящих установок. По преимуществу это оптические и оптико-электронные устройства с индикацией на основе ГОС. Последние стали наиболее общей тенденцией в обеспечении высокоточных измерений, в этой области достигнуты высокие результаты, близкие к теоретическому пределу точности. Дальнейшее повышение точности (такая необходимость диктуется современными технологиями в разных отраслях промышленности) представляется возможным путем введения дополнительных безаберрационных преобразователей в тракте передачи измерительной информации. Оптотехника располагает достаточно большим набором элементов, позволяющих в той или иной мере решать задачи управления лучом, но они недостаточно универсальны, а использование их требует специальных знаний по оптике.
Одно из направлений в создании преобразователей, простых по физике их действия и обладающих функциональной полнотой, - использование свойств плоских зеркал. Исследования по теории плоских зеркал указывают на такую возможность, но для ее реализации требуются конкретные знания о способах формирования той или иной функции их действия и принципах построения преобразователей конкретного назначения.
Наглядными примерами метрологических задач, связанных с заданием и измерением малых перемещений, могут служить технологии создания интегральных микросхем, аттестация штриховых мер, контроль деформаций, высокоточная механическая обработка, поверка средств измерений и контроля.
В наибольшей степени потребность в широком наборе решений и хорошо отработанной методики синтеза функциональных преобразователей имеет место в области средств бесконтактных измерений и контроля.
Таким образом, существующая потребность в средствах измерения и задания малых перемещений и видимая возможность решения проблемы на основе теории плоских зеркал составляют в совокупности объективные признаки актуальности темы диссертации. Работа выполнялась в рамках государственных программ, что является формальным подтверждением актуальности.
Цель работы. Основная цель — разработка формализованной методики синтеза оптических измерителей и задатчиков малых перемещений для систем бесконтактных измерений и контроля геометрических параметров. Наряду с этим разъясняются прикладные аспекты общей теории плоских зеркал.
Задачи исследований:
-
Разработка обобщенной методики анализа оптических функциональных преобразователей.
-
Аналитическое описание типовых преобразователей.
-
Анализ действия преобразователей с одним и двумя подвижными зеркалами.
-
Разработка модели и анализ действия систем с числом зеркал больше двух.
-
Исследование прикладных аспектов общей теории плоских зеркал.
-
Экспериментальная проверка метрологических характеристик зеркальных преобразователей.
-
Разработка задатчика перемещений с расширенной функцией действия.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложена обобщенная методика математического анализа оптических функциональных преобразователей, в основу которой положены представления об отображающей плоскости и координатных преобразованиях.
-
Выведены аналитические соотношения между координатами предметной точки и ее отображением в сложных системах плоских зеркал (число зеркал два и более).
-
Показаны способы геометрического моделирования задач сложения и разложения конечных поворотов посредством отображающих плоскостей.
-
Определены функциональные и метрологические свойства оптических преобразователей на основе систем с подвижными зеркалами.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
-
Разработанная методика синтеза зеркальных преобразователей обеспечивает формализацию процедур выбора структуры зеркальной системы, схемотехнической проработки ее и расчета параметров устройства.
-
Предложенный в работе способ геометрического моделирования схем конечных поворотов используется при разработке алгоритмов точного базирования сложных объектов на обрабатывающих центрах, этот способ может быть использован при проектировании станочных механизмов
ориентации деталей и при решении множества задач, связанных с оценкой конечных поворотов.
-
Разработанные макетные образцы задатчиков малых перемещений показывают возможность замены ими сложных оптико - электронных устройств для достаточно большого числа задач, возникающих в производственной практике.
-
Исследоваїшя прикладных аспектов теории плоских зеркал показывают возможность более широкого их использования в производственных информационно-измерительных системах.
Методы исследований: геометрическое моделирование, построение математических моделей с применением аналитической геометрии и методов аналитической механики (теории конечных поворотов), численный эксперимент, компьютерное моделирование.
Апробация работы: результаты работы обсуждались на 2-х научно-технических конференциях «Экстремальная робототехника» (16 - 17 апреля 1997 г. и 14 - 15 апреля 1998 г.Санкт-Петербург).
Публикации: По теме диссертационной работы опубликованы 8 статей, перечень которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы: диссертация включает в себя введение, четыре главы, заключение, список литературы.
