CC BY
23
СТАНДАРТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ
УДК 629.78
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-531-538
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИСТЕМАТИЧЕСКИХ ОШИБОК, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ ЛАЗЕРНЫМ ТРЕКЕРОМ
Д.В. Антипов, О.С. Ефремкин, В.Н. Самохвалов, Е.В. Еськна
В данной статье представлены результаты создания методики контроля положения посадочных мест под высокоточные приборы. Определены и описаны систематические ошибки, возникающие при проведении измерений лазерным трекером. Представлены данные экспериментальных исследований принципов измерения лазерными трекерами и обработки координат точек в программной среде Spatial Analyzer.
Ключевые слова: контроль положения, лазерный трекер, энкодер, коррекция смещения, модель ошибок.
На космических аппаратах ДЗЗ предъявляются высокие требования по точной привязке координат расположения оптико-электронной аппаратуры (телескопа) с координатами расположения приборов системы управления движением и чувствительными элементами для обеспечения целевых показателей КА [1]. К таким приборам относятся гироскопы, блоки измерения угловых скоростей, датчики определения координат звезд и другие.
Проблема обеспечения высокой точности при проведении контроля геометрических параметров, определяющих положение посадочных мест под высокоточные приборы на изделиях аэрокосмической техники, приводит к необходимости постоянного совершенствования методов проведения измерений.
Рассматриваемый в данной работе комплексный подход к решению поставленной задачи предполагает проведение исследований зависимости точности измерительной системы на базе лазерного трекера от расположения объекта контроля и условий проведения измерений, на основе которых можно эффективно решить проблему достижения требуемой точности и достоверности проводимых измерений.
Принцип действия координатно-измерительной системы на базе лазерного трекера API заключается в том, что трекер измеряет горизонтальный и вертикальный угол относительно своего положения в пространстве, а также дистанцию до отражателя. На рис. 1 представлена принципиальная схема определения координат отражателя (xo, yo, zo) по результатам замеров горизонтального (Hz) и вертикального (V) углов и расстояния (D) с помощью лазерного трекера.
Из рис. 1 выведем формулы для определения координат отражателя по расстоянию и двум углам:
x0=D*cosHz, y0=D*cos(90°—Hz); z0=D*cosV.
Точность координатно-измерительной системы составляет 5 х L мкм, где L - расстояние от измерительной системы до объекта в метрах [2].
Прибор для измерения сферических координат, такой как лазерное измерительное устройство, представляет собой механическую конструкцию, состоящую из нескольких компонентов, которые могут быть несоосными по отношению друг к другу.
Подобные смещения, отклонения и несоответствия приводят к систематическим погрешностям в измеряемых сферических координатах (углах и расстояниях) и, вероятно, в расчётных длинах эталонов. Общепринятой практикой является коррекция подобных ошибок
при помощи программных моделей погрешностей [3-5] способом, в чём-то похожим на процесс, применяемый к координатно-измерительной машине в прямоугольной системе координат.
Х.Р
Рис. 1. Принципиальная схема определения координат отражателя в пространстве
Скорректированные (или истинные) значения расстояния (Яс) и углов (Иа Ус) любой координаты в пространстве являются функциями нескольких параметров отклонений в конструкции измерительного устройства, а также измеренными значениями координаты в этом положении (Ят, Ит, Ут). Соответственно, коррекции АЯт, АИт, АУт могут быть выражены как: Яс - Ят = АЯт = /г (Ят,Ит, Ут, XI, Х2, ..., Хц); Ис — Ит = АИт = /к (Я m,Иm, Уm, Х1 x2, Хп);
Ус — Ут = АУт = /у (Ят,Ит, Ут, Х1, Х2, ..., Хц), где х( = 1 до п) - п параметры отклонений. Приведённое выше составляет модель погрешности для лазерного трекера.
Для начала дадим определение системы координат лазерного трекера.
На рис. 2 оси X, У и Z образуют связанную прямоугольную систему координат со взаимно ортогональным расположением и началом координат в точке О. Мы определяем две оси -ось вращения ОТ и перпендикуляр к ней в ХУ плоскости ОЫ — примыкающими к головке устройства, которая может вращаться вокруг вертикальной оси OZ. Цель расположена в точке Р. Кроме того, мы определяем ось ОМ, примыкающую к головке устройства.
Рис. 2. Определение системы координат
Ось ОМ - расположена под прямым углом к оси вращения ОТ и траектории луча ОР. Горизонтальные углы измеряются от оси У к ОЫ. Вертикальные углы измеряются от оси Z к ОР. Следует отметить, что в идеальном случае ось вращения ОТ пересекает и перпендикулярна вертикальной оси OZ. Луч выходит из точки О и его траектория до цели ОР перпендикулярна оси вращения ОТ. Любое из этих условий или все они могут быть нарушены, результатом чего станут систематические ошибки в измерениях расстояния и углов.
Далее приведем описание данных систематических ошибок.
1) Смещение луча. Луч, берущий начало из источника излучения (в точке О), может смещаться относительно своего идеального положения на постоянное значение сдвига (ОА на рис. 3) в точку А; данный параметр отклонения обозначается как смещение луча.
Смещение можно разложить на составляющие по осям М и Т (Х1ти Хи), поскольку луч берёт своё начало в зоне вращения головки, параллельной ОРи перпендикулярной плоскости МОТ в системе координат МТР. Компонент смещения по оси вращения (х^) создаёт погрешность при измерении горизонтального угла. Коррекция смещения луча имеет вид:
АНт =
Ит зт(Кт)'
532
где Xlt - положительная величина, как показано на рис. 3, следовательно, измеренный горизонтальный угол меньше, чем истинное значение угла, которое создаёт положительную коррекцию. Компонент по вертикальной оси (хШ создаёт погрешность в измерении вертикального угла и его коррекция имеет вид: АУт = *1т.
Рис. 3. Графическое представление смещения луча
2) Смещение оси вращения. Ось вращения может смещаться относительно своего идеального положения и, следовательно, не пересекать вертикальную ось. Подобный сдвиг обозначается как смещение оси вращения (OA на рис. 4). Значимый вектор смещения вращения будет проходить вдоль оси N. Смещение по оси Z является просто сдвигом системы координат. Смещение вращения создаёт погрешность в измеряемом расстоянии (OB).
Коррекция по расстоянию имеет вид: ARm = x2sin(Vm). Дополнительно, смещение вращения создаёт погрешность в измерении вертикального угла (погрешность вертикального угла = AB/AP). Коррекция по вертикальному углу имеет вид:
... x7cos(Vm)
AVm = ——-—-.
Рис. 4. Графическое представление смещения вращения
3) Вертикальное смещение х3. Сдвиг в нуле энкодера вертикального угла относительно полюса при систематической ошибке в измерениях вертикального угла.
4) Наклон луча. Наклон луча может быть разложен на компоненты тем же способом, что и смещение луча (х4ши Х4). Коррекция в измеряемом горизонтальном угле имеет вид:
АНт =
x4t
sin(^m)'
М'
Рис. 4. Графическое представление наклона луча
5) Наклон вращения. Ось вращения, несмотря на то, что пересекает вертикальную ось, может быть наклонена относительно вертикальной оси. Отсутствие прямоугольности между двумя осями создаёт погрешность в измерениях горизонтального угла. Коррекция имеет вид:
533
АНт =
1ап(Ут)
6) Эксцентриситет энкодеров. Энкодеры горизонтального и вертикального угла могут быть установлены несимметрично относительно центра, данные параметры мы обозначаем как эксцентриситет энкодеров горизонтального и вертикального углов.
Для координатной системы на рис. 5 показано, что коррекция в измеренном горизонтальном угле, благодаря эксцентриситету энкодера горизонтального угла, имеет вид:
АНт = ХбхС08(Ит) -Хву$1п(Нт),
Коррекция в измеренном вертикальном угле, благодаря эксцентриситету энкодера вертикального угла, имеет вид:
АУт = Х7пС0$(Ут) -Х72§т(Ут).
Х1„
4-
л ГУт
* I
+ о Х7г \ V
Рис. 5. Графическое представление эксцентриситета энкодера вертикального
и горизонтального углов
7) Погрешность фиксированной опорной точки. Данная погрешность представляет собой постоянную ошибку в измерении расстояния, вызванную неверной калибровкой расстояния до фиксированной опорной точки трекера.
8) Погрешность шкалы в энкодере. Если присутствуют погрешности шкалы, то гармоники низшего порядка могут оказывать самое большое влияние на появление ошибок в измерениях углов.
Коррекция измеренных углов при наличии погрешностей гармоник порядка т в шкале может быть выражена как:
- для энкодера горизонтального угла
АНт = хда$т(тНт) + х9ъС0$,(тНт);
- для энкодера вертикального угла
АУт = х^т(тУт) + Хюъсо$(тУт) [6].
Описанные выше условия могут быть объединены в следующую модель ошибок [7] для лазерных трекеров:
Яс = Ят + х2 зт(Ут) + х8; Не = Нт +
х1(
■ +
х4(
+ ■
Ит.Бт^Ут) зт(Ут) 1ап(Ут)
+ х6х cos{Hm) —
-х,
6у
sm(Hm) + х9а sm(2Hm) + х9Ь cos(2Hm)■;
Ус = Ут
COS (Ут)
Н-----\-х2+х7п cos{Уm) —х12 sm(Уm) +
Ят Ят
+х10а sm(2Vm) +x10bcos(2Vm).
Приведённые выше анализ и модель погрешности предполагают использование численного подхода к анализу чувствительности, при котором каждый параметр отклонения рассматривается отдельно для определения его влияния на все оценочные численно смоделированные испытания.
Максимальная объемная погрешность измерения, определенная посредством этой модели будет учтена при подсчете полной погрешности измерительной системы.
Далее рассмотрим методику контроля положения посадочных мест под высокоточные приборы.
Объектом измерения является рама БА ВРЛК с платформой чувствительных элементов, на кронштейнах которой устанавливаются высокоточные приборы. Кронштейны платформы имеют места под приборы, характеризующиеся базовыми посадочными и фиксирующими элементами.
Целью методики является контроль положения посадочных мест под высокоточные приборы со следующими значениями погрешности:
- максимально допустимая погрешность определения положения контрольных линий составляет 45'';
- максимально допустимая абсолютная погрешность измерений каждого угла не превышает 30''.
Достижение поставленной цели требует решения задачи пересчета углов.
Базовой плоскостью конструкции принимается плоскость площадок, по которым происходит стыковка БА ВРЛК с рамой БА ВРЛК изделия.
Ось Х СК объекта лежит в базовой плоскости и проходит через центры базовых отверстий, лежащих в плоскости симметрии СК БА ВРЛК.
Для достижения требуемой точности весь комплекс измерений необходимо выполнять с одной стоянки прибора.
Измерение углового положения каждого из посадочных мест относительно СК БА ВРЛК осуществляется путем определения углового положения двух линий:
- перпендикуляр, восстановленный от посадочной поверхности (БПЭ),
- вектор на посадочной поверхности, проходящей через образующие базовых фиксирующих элементов (БФЭ), направлением от штифта (шпильки) под классный паз к штифту (шпильке) под классное отверстие.
Для выполнения поставленной задачи необходимо провести измерения базовой плоскости, центров базового отверстия и паза, а также точек на кронштейнах для построения плоскостей БПЭ и линий БФЭ.
Контрольные точки должны быть измерены в виде массива точек на поверхностях БПЭ посредством сферического отражателя диаметром 0,5 дюйма, а также вокруг шпилек БФЭ, описывая окружность, для дальнейшего построения центров шпилек и линий БФЭ.
Массив точек БПЭ должен быть равномерно распределен по посадочной поверхности кронштейна и составлять 80-90 точек на кронштейн с интервалом 2-3 мм между точками, а массив точек БФЭ должен составлять по 10-15 точек на шпильку. В расчетах искомых углов будут принимать участие линия, проведенная через центры окружностей образованных массивом точек БФЭ и проходящая через оси базовых фиксирующих элементов (БФЭ), направлением от штифта (шпильки) под классный паз к штифту (шпильке) под классное отверстие и среднеквадратичная плоскость по массиву БПЭ. Таким образом, плоскостность посадочной поверхности в расчете погрешности учитываться недолжна.
Определение углового положения посадочных мест относительно базовой плоскости XOZ и OX.
Для посадочного места 1 в среде ПО Spatial Analyzer определяем углы следующим
образом:
a. Угол az: Сравнить - Создать размер - Объект-объект - выбратьлинию БПЭ-1-NormalOnXOZ и OX,
b. Угол ax: Сравнить - Создать размер - Объект-объект - выбратьлинию БФЭ-1OnXOZ и OX;c. Далее изменить свойства размеров, как это показано на рис. 7.
В примере измерены углы посадочных мест для CAD - модели:
az = 146,2461°; ax = 78,7875°;
Повторить аналогично для других посадочных мест, а также для каждого из десяти циклов измерений.
73.787 5Л пк
46.2401° oz
_______ Ггпр"г"" Oi4«l 1« Ol.!«! СНпчлиол 1'.ор-,г^г - С*РА{,0-Dt^P"T1 1 X j
и» ot>]nc< и*»
о»: си.»: Q&2 - |Dct7
flohutm
1ГП0 - □Вии«» 1ЯП l
bnpiwu* ixwih FMIh* OHwl
[во ~ ganuin« ---------------------- _ ____
1 I'JXJ | obP*6oi»>. u™. а
f МляЛ» ОТвИ»Т<*«1*«
——
Рис. 7. Построение углов az и ах для посадочного места 1
Предельная погрешность измерения координат определяется измерительной предельной погрешностью трекера, погрешностью установки отражателя, а также стабильностью конструкции и опоры. Максимальная объемная погрешность измерений трекером в режиме интерферометра при предложенной схеме установки составляет:
Amax = Lmax хАприбор = 4м X 5 мкм/м = 20 мкм, где Amax - максимальная погрешность измерений; Lmax - максимальная дистанция измерений; Априбор - предел допускаемой объемной погрешности измерений интерферометром.
Фактическая погрешность измерений изменяется в меньшую сторону, ввиду работы трекера в узком диапазоне горизонтальных (±20°) и вертикальных (±35°) углов.
Формулы расчета абсолютной доверительной погрешности среднего значения измеряемой величины - углов, определяемых по 10 циклам замеров используются в соответствии с ГОСТ Р 8.736-2011 и МИ 2083-90
Инструментальная погрешность ©х в переводе в угловые величины вычисляется как:
добъемная ^ _ "Трекер
&х - г~
'-mm
где А0бЪкерная - объемная погрешность измерения прибора, вычисленная для максимально удаленной от прибора измеренной точки из выборки точек, отснятых на каждом из посадочных мест (для каждого посадочного места под прибор вычисляется отдельно); lmin - минимальное расстояние между шпильками посадочного места под прибор.
Расчет суммарной доверительной погрешности измеряемой величины.
Границы доверительной погрешности оценки измеряемой величины вычисляются по
формуле:
А = KSL ,
где К - коэффициент, зависящий от соотношения случайной составляющей погрешности и НСП.
Суммарное среднее квадратическое отклонение Sx оценки измеряемой величины вычисляют по формуле:
= ß
+ S*
где 8® - среднее квадратическое отклонение НСП, которое оценивают по формуле:
61 VI
где ©е - границы НСП.
Коэффициент К, зависящий от соотношения случайной составляющей погрешности и НСП вычисляют по формуле:
^ t -г
S0 + Sx
Основными выводами по итогам работы являются следующие:
1) на основе анализа и систематизации практического применения лазерных измерительных систем, разработана математическая модель погрешности для лазерного трекера, которая позволяет определять систематическую погрешность для каждого отдельно взятого лазерного трекера, а также выбирать наиболее удачные места при разработке схемы его установки;
2) проведены экспериментальные исследования принципов измерения лазерными трекерами и обработки координат точек с целью контроля положения посадочных мест под высокоточные приборы, что позволило выявить факторы, влияющие на точность исполнения данных операций;
3) разработанные алгоритмы реализованы в прикладных программах для обработки результатов высокоточных геометрических измерений и разработки 3D-моделей
Список литературы
1. Кирилин А.Н., Ахметов Р.Н., Соллогуб А.В., Макаров В.П. Методы обеспечения живучести низкоорбитальных автоматических КА зондирования Земли: математические модели, компьютерные технологии. М.: Машиностроение, 2010. 384 с.
2. Якунин В.В., Викорук Д.Г. Системы лазерные координатно-измерительные API Tracker 3 // Вестн. Метролога. Вып. 2. СПб, 2009. С. 13 - 15.
3. Zhuang H., Roth Z. Modeling gimbal axis misalignments and mirror center offset in a single-beam laser tracking measurement system // The International Journal of Robotics Research. 1995. 14 (3). P. 211 - 224.
4. Jiang H., Osawa S., Takatsuji T., Noguchi H., Kurosawa T. High-performance laser tracker using an articulating mirror for the calibration of coordinate measuring machine // Optical Engineering, 2002. 41 (3). P. 632 - 637.
5. Lin P.D., Lu C-H. Modeling and sensitivity analysis of laser tracking system by skew-ray tracing system // ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2005. 127 (3). P. 654 -662.
6. Muralikrishnan B. ASME B89.4.19 Performance Evaluation Test and Geometric Misalignments in Laser Tracker, J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol., 2009. 114. P. 21-35.
7. Loser R., Kyle S. Alignment and field check procedures for the Leica Laser Tracker LTD 500 // Boeing Large Scale Optical Metrology Seminar, 1999.
Антипов Дмитрий Вячеславович, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, con-expert@mail.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева (Самарский университет),
Ефремкин Олег Сергеевич, заместитель начальника отдела специальных испытаний, olegef1@rambler.ru. Россия, Самара, АО «Ракетно-космический центр «Прогресс»,
Самохвалов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, samohvalov_vn@mail.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева (Самарский университет),
Еськина Елена Владимировна, канд. техн. наук, доцент, eskinaev@ssau.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева (Самарский университет)
DETERMINATION OF SYSTEMATIC ERRORS, THAT APPEARS DURING THE MEASUREMENTS
BY LASER TRACKER
D.V. Antipov, O.S. Efremkin, V.N. Samokhvalov, E.V. Eskina
The paper covers the problem of geometries control for high-accuracy devices. Systematic errors, that appears during the measurements by laser tracker, are determined and described. Experimental research data, that had been received by laser tracker and processed by Spatial Analyzer are set out.
Key words: positioning control, laser tracker, encoder, correction of displacement, error
model
Antipov Dmitry Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, docent, head of the department, con-expert@mail.ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after academician S.P. Koroleva (Samara University),
Efremkin Oleg Sergeevich, deputy head of the special tests department, olegef1@rambler. ru, Russia, Samara, JSC «Rocket and Space Center «Progress»,
Samokhvalov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, samoh-valov_vn@mail.ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after academician S.P. Koroleva (Samara University),
Eskina Elena Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, eskinaev@ssau.ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after academician S.P. Koroleva (Samara University)
УДК 004+006
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-538-542
УПРАВЛЕНИЕ ЗНАНИЯМИ В СИСТЕМЕ ИНФОРМАЦИОННОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ СЛУЖБЫ СТАНДАРТИЗАЦИИ НА ПРЕДПРИЯТИИ
К.И. Порсев, В.А. Иванова
В статье рассматривается одно из перспективных направлений развития стандартизации — совершенствование деятельности служб стандартизации на предприятиях. Проанализирован перечень задач, решаемых службой стандартизации на предприятии, а так же определены основные проблемы деятельности служб стандартизации. Установлено, что одним из возможных путей преодоления указанных проблем может стать интеграция деятельности службы стандартизации с деятельностью по управлению знаниями на предприятии. На основании этого авторами разработана модель информационной интеграции деятельности службы стандартизации на предприятии с деятельности по управлению знаниями.
Ключевые слова: служба стандартизации, управление знаниями, функционально-информационная интеграция.
На современном этапе развития промышленности, создание конкурентоспособной продукции, требуемого уровня качества, становится невозможным без стандартизации [1,2]. Одним из ключевых направлений развития стандартизации на промышленных предприятиях страны является совершенствование деятельности служб стандартизации, осуществляющих организационно-методическое и научно-техническое руководство работами по стандартизации [2].
Основными задачами деятельности служб стандартизации на предприятиях являются следующие [3]:
- организационное обеспечение работ по стандартизации;
- проведение исследований в области стандартизации;
- разработка стандартов и других нормативных документов;
- представление интересов предприятия в работах по стандартизации;
- внедрение стандартов, информационно-технических справочников и сводов правил;
- контроль за применением технических регламентов, стандартов и сводов правил;
- формирование и ведение фонда документов по стандартизации;
- повышение уровня знаний в области стандартизации;
- взаимодействие с другими организациями и органами.
На основании проведенного анализа источников [4-8] определено, что реализация указанных выше задач в настоящее время сопряжена с рядом следующих проблем:
