Точное позиционирование. 2 вар ФУ ТОЧНОЕ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ (1). Фу точного позиционирования
 Скачать 0.68 Mb.
|
|
ФУ точного позиционирования Группа подвижных систем представляет собой устройства , обеспечивающие позиционирование прибора на объект наблюдения или измерения. Процесс позиционирования заключается в приведении рабочего элемента ФУ в заданное, обусловленное работой прибора положение. Результатом позиционирования является совмещение реперных элементов прибора и объекта. В некоторых случаях реперные элементы отсутствуют и результат позиционирования может оцениваться по резкости видимого изображения объекта ( например; изображение в микроскопе, телескопе, геодезическом приборе и т.д.) Позиционирование называют точным когда оно регламентируетсяколичественным допуском(или условием) на точность совмещения. Роль рабочего элемента ФУ позиционирования в ОЭП могут выполнять ; - оптическая система (зрительная труба, трубка микроскопа, фото- и киносъемочный объективы и т.д.); - отдельный элемент оптической системы (поворотное зеркало, призма и т.д.); - чувствительный элемент измерительной цепи прибора. Как правило, рабочий элемент ФУ в то же время является исполнительным элементом подвижной системы. Назначение и виды позиционирования В ОЭП позиционирование различается: - по назначению включается внешнее ориентирование оптической системы относительно объекта наблюдения; внутреннее взаимное ориентирование элементов прибора при выполнении регулировочно-юстировочных операций: - по виду реализации (реперное или безреперное): - по критериям оценки результата (точность, эргономичность): - по уровню точности При внешнем ориентировании во всех случаях применения ОЭП (наблюдения, измерения или управления процессами) выполняются .наводки оптической системы по одной или двум пространственным координатам.: смещение по двум осям или смещение по одной оси и поворот вокруг этой же оси. Такие способы ориентирования используются при позиционировании окуляра относительно объектива телескопа, позиционирование оптической системы микроскопа относительно объекта наблюдения. В приборах дальнего действия объектами наблюдения являются разнообразные предметы на местности ( вехи, мачты, здания и т.д.). Позиционирование выполняется (как правило) в полярной системе координат и заключается в приведении изображения объектов в центр поля зрения и совмещении его реперных элементов с реперными элементами визирной сетки. Это совмещение выполняется чаще всего по методу наложения. Позиционирование приборов проводится для наблюдения с целью распознавания и изучения объектов, измерения их координат и для управления специальными устройствами спецтехники, например стрельбой – позиционирование в этих случаях является точным, так как влияет непосредственно на точность выполнения приборами их функций. Позиционирования фото- и киносъемочной аппаратуры выполняется в полярной системе, но в отличии от приборов дальнего действия оно является безреперным, т.к. служит лишь для совмещения объекта съемки с кадровым окном визирного устройства и не связано с измерениями. Поэтому основным требованием к несущей системе этой аппаратуры является надежность и простота позиционирования. Точность в этом случае не регламентируется. y x y x ϕ z В приборах ближнего действия (микроскопах всех видов и назначений, а также многие лабораторные ОП, применяемые для оптических измерений) внешнее ориентирование осуществляется в прямоугольной системе координат. Ориентирование производится либо перемещением оптической системы, либо объекта совместно с предметным столиком. Цель позиционирования та же; приведение объекта в центр поля зрения. В случае измерений - совмещение его реперных элементов с реперными элементами визирных сеток приборов. Позиционирование в целях внутреннего ориентирования элементов конструкции прибора разнообразно по назначению, способам выполнения и контроля результата. Наиболее широко это позиционирование имеет место в устройствах настройки приборов, где встречается как реперное так и безреперное позиционирование. Особым случаем позиционирования для внутреннего ориентирования элементов является осуществление малых смещений в процессе сборки прибора при регулировочно – юстировочных операциях. В этих случаях контроль точности позиционирования производится с помощью универсальных измерительных приборов и средств. Способы управления и режимы точного позиционирования Управление точным позиционированием реализуется двумя способами: - ручное - автоматизированное. Автоматизированное управление применяется в тех случаях, когда имеет значение быстродействие функционирования. Ручное управление позиционированием обычно сопряжено с визуальным контролем результата и осуществляется с помощью простейших средств - органов управления в виде маховиков на входе кинематической цепи подвижной системы. Ручное управление имеет некоторые преимущества: - простота конструктивных решений, - адаптивность к условиям выполнения процесса, - высокая надежность. Недостатки: – невысокое быстродействие , - зависимость точности позиционирования от условий наблюдения за совмещением ( освещенность и контрастность). Указанные преимущества ручного управления определяет его применение и до настоящего времени, особенно в приборах нестационарного типа. Основными преимуществами автоматизированного управления является быстродействие и более высокая точность контроля результатов позиционирования. Широко распространено автоматизированное управление в случаях непрерывного слежения за тем или иным объектом. Точность автоматизированного управления позиционированием составляет для линейных размеров 0,05 мкм, что практически недостижимо при ручном управлении. Однако, автоматизация управления приводит к значительному усложнению конструкции прибора в целом, снижению надежности и повышению стоимости. Существует правило, согласно которого надежность системы тем ниже, чем больше элементов она включает. Режимы точного позиционирования характеризуются относительной скоростью сближения рабочего элемента функционального устройства с реперным элементом объекта. Это сближение сопровождается динамическими явлениями (вследствие инерции), возникающими при этом в элементах конструкции функциональных устройств. Скорость сближения и динамические процессы в случаях ручного и автоматизированного управления : - при ручном – по мере приближения рабочего элемента к реперному элементу объекта происходит управление скоростью, а во втором – скорость постоянна почти до самого момента совмещения и остановки рабочего элемента. Рассмотрим режим позиционирования при ручном управлении. Задачей является приведение репера прибора в так называемую зону совмещения, которая определяется допустимой точность позиционирования. При ручном управлении участок АВ – грубое сближение, выполняемое с наибольшей скоростью; ВВ 1 – участок уменьшения скорости и первой остановки в точке В 1 обусловленной психологическими факторами. Положение точки В 1 – случайно и определяется тренированностью, остротой зрения и освещенностью. Зоны совмещения при низких Н 1 и высоких Н 2 определяются требованиями к точности позиционирования. Далее после точки В 1 оператор делает попытку совмещения с точкой С. Однако в силу того, что развиваемый импульс на участке разгона различен может получиться траектория либо 1 либо 3. Размер поля рассеяния С 1 – С 11 зависит от многих факторов: момента начала движения рукоятки управления, конструктивных параметров рукоятки (диаметр, форма), тренировки и психологии оператора. Тренированный оператор совмещает положение при зоне совмещения 0,1- 0,15 мм за одну попытку во второй фазе. Обычно третья стадия состоит из ряда корректировочных попыток, выполняемых с большей тщательностью и существенно меньшими скоростями, т.е. носит итерационный характер и процесс совмещения значительно замедляется. Таким образом, процесс позиционирования можно рассматривать как случайный процесс. Число необходимых полезных попыток в этом случае зависит от закона распределения рассеяния порогов для каждой попытки, соотношения между полем рассеяния порогов и зоны совмещения. H 1 1 2 3 А В V H 2 В 1 С 1 С С 11 y Рассматривая каждую попытку как случайное событие, найдем общее выражение для определения числа необходимых попыток. Обозначим вероятность совмещения рабочего элемента с допустимой зоной совмещения за одну попытку через Р(х i ), тогда вероятность совмещения за n последовательных попыток будет равна сумме вероятностей для отдельных попыток n n Р (Ʃ x i ) = Ʃ P(x i ) i = 1 i = 1 Общая вероятность совмещения соответствует реализации совмещения за n попыток. Иначе при определенном n совмещение происходит. Тогда n Ʃ P(x i ) = 1 i = 1 В первом приближении можно положить, что вероятности отдельных попыток в пределах зоны Н одинаковы n Ʃ P(x i ) = n P(x i ) = 1 i = 1 n = 1/ P(x i ) В результате приведенного рассмотрения можно сделать вывод, что количество попыток n, а следовательно время совмещения, определяется по характеристикам распределения рассеяния порогов. В настоящее время нет достаточно надежных данных о действительных законах распределения рассеяния пороговых смещений в зависимости от условий выполнения точного позиционирования. В связи с этим строгий расчет числа корректировочных попыток совмещения рабочего элемента функционального устройства с зоной совмещения пока затруднителен. Однако вопрос определения n на стадии разработки функционального устройства в некоторых случаях является особо важным: - например оптические приборы военного назначения, где время наведения является особо важным параметром. Представим схему позиционирования. h g - ширина допустимой зоны совмещения y ∆ - поле рассеяния порогов ∆ Наиболее простыми являются случаи, когда распределение плотности вероятности равномерно. Обозначим через f - площадь перекрытия допустимой зоны совмещения и поля рассеяния, а F - площадь под функцией распределения порогов. Тогда вероятность совмещения можно представить как отношение площадей. Р(х) = f / F = h g / ∆ n = ∆ / h g Из этого следует, что при равномерном распределении плотности вероятности φ(∆) вероятность совмещения не зависит от взаимного положения поля рассеяния порогов относительно зоны совмещения В других случаях, например, если принять распределение плотности вероятности в виде треугольника , вероятность совмещения зависит от относительного положения зоны совмещения и поля рассеяния порогов. Т.е. при значительной разности между ∆ и h g наиболее вероятным следует ожидать неравномерного распределения. Однако, вопрос об относительном положении ∆ и h g изучен до настоящего времени не достаточно. В некоторых конкретных случаях вместо повторения попыток совмещения операторы выполняют совмещение за одну попытку за счет резкого снижения скорости перемещения рабочего элемента. Т.е. после точки В 1 медленным перемещением совмещают положение рабочего элемента с допустимой зоной совмещения. В этом случае скорость определяется временем, которое необходимо для безошибочного опознания факта совмещения и составляет 1,5 – 1,8 секунды. Если принять перемещение равномерным, то при ширине зоны совмещения h = 10 мкм скорость v = 0,007 мм / сек. Эта скорость очень мала и ощутить ее могут только очень опытный оператор. При h = 200 мкм получаем скорость h g h g h g φ(∆) F f F f F f v = 0,11 мм / сек тоже очень мала и следовательно этот способ совмещения не может быть реализован в массовом применении. Следовательно, для упрощения управления подвижной системой нужно увеличивать время наведения, либо увеличивать зону совмещения. В противном случае следует допускать итерационный способ наведения рабочего элемента. Точность позиционирования При проектировании ФУ точность позиционирования имеет существенное значение в следующих случаях: 1 – при позиционировании в рабочее положение чувствительного элемента измерительного устройства с контролем совмещения его с реперным элементом объекта на выходе; 2 – при позиционировании рабочего элемента устройства управления путем ввода входных данных с контролем совмещения заданного отсчета с указателем на входе; 3 – при позиционировании в целях фокусировки оптической системы в случае малой глубины резкости объектива с контролем по резкости изображения. В первом случае процесс позиционирования завершается совмещением чувствительного элемента с реперным элементом объекта при визуальном наблюдении в поле зрения или на экране. Совмещение реперных элементов прибора и объекта всегда происходит с некоторой погрешностью, которая обусловлена : - пороговой чувствительностью подвижной системы к малым перемещениям; - ограниченной точностью контроля совмещения и неидеальных значений геометрических и физических параметров реперных элементов. Погрешность совмещения физически выражается в виде ошибки положения рабочего элемента относительно реперного элемента объекта, представляющей отклонение действительного положения рабочего элемента ФУ от номинального положения. Например; имеется реперное устройство отсчета угла положения оси оптической системы 1 – реперный элемент прибора 2 - реперный элемент объекта Совмещение реперных элементов производится в пределах некоторой зоны рассеяния, размер которой определяется пороговой чувствительностью, а с другой - допустимой погрешностью позиционирования. Т.о. образуется зона рассеяния, ограниченная линиями b и b*. Величина зоны совмещения шкалы и указателя при ширине штрихов 0,2 – 0,3 мм при наблюдении невооруженным глазом и при допустимом размере погрешности совмещения до ± 0,5 ширины штриха составит 0,2 – 0,3 мм. Тогда величина ошибки положения рабочего элемента будет определяться соотношением цены деления и погрешностью совмещения штрихов. Так если размер между штрихами 1мм, то совмещение дает ошибку 0,25 мм. Тогда если цена деления соответствует 1 0 , то ошибка в положении оптической системы составит 0,2 – 0,3 0 , т.е. ошибка 30% довольно большая. Ширина зоны совмещения при реперном позиционировании выбирается из условия δ = ± ( 1/5 - 1/10) доли цены деления отсчетного устройства. 1 2 h= 2δ b b | Проектирование ФУ точного позиционирования При проектировании ФУ точного позиционирования необходимо соблюдать следующие основные принципы: - принцип кинематической чувствительности цепи – согласно этому принципу всегда должен обеспечиваться запас количества движения на входе, чтобы надежно преодолевались пороговые явления, и обеспечивалась требуемая точность - принцип оптимизации нагрузки (момента сопротивления) на входе цепи для ослабления роли пороговых явлений из-за ограничения психофизиологической чувствительности оператора к малым перемещениям при ручном управлении; - принцип кратчайшей кинематической цепи устройства, избегая при этом сложных кинематических пар для ослабления пороговых явлений самой цепи; - принцип эргономичности управления процессом позиционирования, поскольку даже пороговая психофизическая чувствительность зависят от расположения органов управления устройства относительно оператора. - принцип самофиксации цепи в случае ручного управления точным позиционированием для избежания сбоя достигнутого совмещения. Самофиксация обеспечивается обычно путем включения в кинематическую цепь самотормозящих кинематических пар (винтовые или червячные пары) или с помощью тормозного устройства. Порог чувствительности перемещения При корректировочном режиме позиционирования обнаруживается порог (предел) возможности оператора уменьшать корректировочные шаги или порции малых перемещений рабочего органа управления. В этом случае процесс совмещения становится реверсивным – т.е. смещения осуществляются в прямом и обратном направлениях перемещения рабочего элемента. Т.о. предельные порции перемещения представляют собой те минимальные смещения рабочего органа, которые удается осуществить оператору при начале движения рукоятки управления с места. Эти минимальные смещения называют характеристиками порога чувствительности устройства позиционирования к малым перемещения или просто пороговыми перемещениями. Рассмотрим, какие физические явления определяют существование порога перемещения. На основании опыта можно выделить три основные группы причин обуславливающих порог чувствительности позиционирования: 1 – погрешности срабатывания системы управления Первая группа причин при ручном управлении проявляется вследствии латентного периода сенсомоторной реакции человека (запаздывание реакции руки оператора на подаваемые ей сигналы на начало и остановку движения). Погрешность срабатывания зависят от диаметра рукоятки привода и момента сопротивления. Оптимальные значения 40 мм, момент сопротивления 2,5 Н см) 2 – ограниченная чувствительность механической системы привода (Второй причиной) является рассогласование между входным сигналом управления и реакцией рабочего элемента - контактные деформации в выступах микроформы рабочих поверхностей элементов кинематических пар - смещения в зазорах кинематических пар - влияние вязкости смазки 3 – ограниченная чувствительность и точность средств контроля совмещения.:(Третья группа причин )определяется - ограниченная острота зрения оператора - латентный период Полная ошибка позиционирования является суммой всех трех видов ошибок. Чувствительность и масштаб преобразования движения При проектировании ФУ точного позиционирования существуют два основных ограничения - с одной стороны необходимо обеспечить требуемую точность позиционирования; - с другой – существует физиологическое ограничение на входное перемещение. Естественно, что эти ограничения требуют согласования. Для этого вводится функция S xy - масштаб преобразования (или кинематическая чувствительность) подвижной системы S xy = Δ x порог / Δ y доп , где Δ x порог - порог чувствительности к перемещению на входе, Δ y доп - допуск на точность позиционирования. Для практики величины Δ x порог исходят из целевого назначения прибора и для определения масштаба преобразования цепи рекомендуются следующие значения: Δ x порог Лабораторные оптические приборы 0,5 – 1 0 Полевые приборы гражданского назначения 1 - 2 0 Военные оптические приборы 2 - 5 0 Типы устройств точного позиционирования Устройства точного позиционирования подразделяются на типы в зависимости от вида выходного движения исполнительного элемента цепи: - вращательного движения - поступательного движения Рассмотрим схемы некоторых устройств I Y Y = ( k t / 2π R) X R Где k – число заходов резьбы t – шаг резьбы X Устройство I широко применяется в приборах с вращательным движением исполнительного элемента при малом диапазоне позиционирования. 11 Y Y = (а/б) · (k t / 2 πR) x x В основном для лабораторных и геодезических приборов. Y = (k/z ) X Данный тип применяется в тех случаях, когда необходимо позиционирование в любом угле из 360 0 а б а б Для поступательного движения исполнительного элемента исполнительного элемента используются как простые, так и сложные схемы Y = ( kt /2π) x x Y Y = (a / b)(kt / 2π ) x x Данные схемы обеспечивают линейное преобразование движения. Тип 1 достаточно широко используется в координатных столиках оптических приборов. В таких схемах перемещение легко сочетается с реализацией измерительных функций. При реализации измерительных цепей масштаб преобразования обеспечивается значением шага резьбы, как правило 0,5 -1мм. При необходимости используется дифференциальный винт. В тех случаях, когда шага резьбы недостаточно, используют схему рычагов, т.к. благодаря отношению (а / б) можно дополнительно расширить возможности схемы Двуплечный рычаг по схеме 2 удобен для компоновки, т.к. его можно применить при разных расположениях винта и рычага. а б 1 2 Для начального грубого позиционирования используют следующую схему х r Y = r x y Эта схема широко используется для грубой фокусировки в микроскопах. Ее достоинство заключается в возможности перемещения рабочего элемента в значительном диапазоне выходной координаты у (размер зубчатой рейки). Для точной настройки микроскопов различных фирм используются схемы, в которых кинематические цепи замыкаются силой Р для устранения зазоров. Р 1 Y Y = (a / b)(kt / 2π ) x х В устройствах точного позиционирования интервал изменения выходной координаты Y как правило мал, и, соответственно, не требуется значительного изменения входной координаты и изменения положений структурных элементов. а б |