АВТОМАТИЗАЦИЯ ВЫСОКОТОЧНОГО КОНТРОЛЯ ПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ НАПРАВЛЯЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ БОЛЬШОЙ ПРОТЯЖЕННОСТИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Основные требования
Состояние вопроса и направления решения задачи
Выверка прямолинейности направляющих, в процессе которой производится установка точек на заданную прямую или контроль ухода точек с заданной прямой, находит широкое применение в ряде отраслей промышленности.
При этом значительное место занимает выверка направляющих большой протяженности (до нескольких сотен метров) с высокой точностью; требования к точности направляющих чрезвычайно высоки и составляют 0,05 — 0,1 мм при допустимых отклонениях направляющих от прямолинейности как в плане, так и по высоте не более 0,3— 1,0 мм.
Современная техника измерений располагает большим выбором средств и методов для проверки прямолинейности направляющих. Все методы условно можно разделить на две основные группы. К первой группе относятся неавтоматические методы контроля прямолинейности, основанные на способах визуального наблюдения. Вторую группу образуют полуавтоматические и автоматические методы.
Оценку методов проверки прямолинейности направляющих можно производить по определенным параметрам, среди которых главными являются: точность измерений, предельные расстояния, объективность и производительность измерений, а также степень автоматизации и время обработки полученных результатов.
Для выверки направляющих большой протяженности с высокой точностью из методов первой группы при соответствующих условиях в качестве основных могут быть использованы:
- — измерения по натянутой струне с использованием оптического проектирующего прибора;
- — оптический метод визирования;
- — коллиматорные и автоколлиматорные измерения;
- — микронивелирование.
В некоторых случаях могут также применяться дифракционный, интерференционный методы измерения и гидростатическое нивелирование.
Метод измерения непрямолинейности по натянутой струне с использованием оптического проектирующего прибора нашел применение в ряде отраслей промышленности. Он основан на измерении величины смещения изображения струны, натянутой вдоль контролируемой направляющей, относительно перекрестия окулярного микрометра отсчетного микроскопа.
Предельная ошибка плановой установки направляющих в проектное положение при использовании натянутой струны и оптического проектирующего прибора составляет 0,05 — 0,3 мм. Проверка прямолинейности направляющих по методу оптического визирования заключается в визировании с помощью зрительной трубы на различно удаленные марки, устанавливаемые на контролируемую поверхность. Зрительная труба имеет отсчетные устройства, позволяющие определять величины смещения марок, вызываемые отклонениями поверхности контролируемой направляющей от прямолинейности. Разность между отсчетами в каждом положении марки и в начальной точке наблюдений дает величину смещения наблюдаемых точек поверхности от прямолинейности.
Обычным зрительным трубам присущ тот недостаток, что при перефокусировке на различно удаленные марки возникают ошибки визирования вследствие взаимного смещения перекрестия сетки нитей и центра фокусирующей линзы. Для исключения ошибок визирования при перефокусировке приходится усложнять конструкции зрительных труб в оптических схемах, использовать аксиконы или применять зрительные трубы двойного изображения.
Точность проверки прямолинейности, достигаемая оптическим методом визирования, высокая. Так, погрешность измерений оптической струной ДП-477 составляет в угловой мере 0,5".
Визирная зрительная труба ППС-11 с приспособлениями для проверки прямолинейности обладает пределами измерений смещений марки в 1 мм, погрешность измерения смещения марки в плоскости, перпендикулярной к визирной оси, равна (0,01 + L/200) мм, где L выражено в метрах.
Высокая точность проверки прямолинейности направляющих различных сооружений достигается также применением коллиматора и визирной зрительной трубы.
Средняя квадратическая ошибка определения отклонений направляющих от прямолинейности указанным методом составляет 10—15 мкм.
В последние годы широкое распространение получил автоколлимацион- ный метод контроля прямолинейности. Особенностью автоколлимационных устройств является их высокая чувствительность к незначительным угловым взаимным перемещениям автоколлиматора и отражающего зеркала, т. к. при повороте зеркала на какой-либо угол лучи света отклоняются на удвоенную величину поворота. При существующих системах окуляров и практически распространенных фокусных расстояниях качественный автоколлимационный блик можно обнаружить на расстоянии, не превышающем 50 м. При этом по мере удаления зеркала от объектива автоколлиматора возрастает виньетирование, автоколлимационное изображение уменьшается и яркость его падает.
Для упрощения процесса измерения и записи углов поворота отражателя возможно использовать двухкоординатный автоколлимационный отражатель — тетраэдр, две наружные грани которого посеребрены. При проверке такого отражателя относительно двух координатных осей оба автоколлимационных изображения перемещаются по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Величина линейного смещения отражателя по каждой из осей координат пропорциональна двойному углу поворота отражателя в соответствующей плоскости.
Линейные измерения можно осуществить автоколлимационным методом сходящимся пучком лучей, сфокусированным на ребро зеркального диэдра или триэдра. В случае применения диэдра линейные измерения осуществляются в одной плоскости. Двухкоординатную выверку обеспечивает использование триэдра.
Точность данного метода вдвое выше, чем метода визирной трубы и марки. Вместе с тем ошибка из-за неправильной работы фокусирующего устройства остается такой же.
Автоколлимационные трубы двойного изображения, работающие в сходящихся пучках лучей, учетверяют по сравнению с методом «трубы и марки» точность измерений и исключают ошибки из-за непрямолинейности хода фокусирующей линзы. Для выверки направляющих большой протяженности по высоте с высокой точностью до настоящего времени основными являются методы микронивелирования. Средняя квадратическая ошибка в определении взаимного положения двух точек направляющих, находящихся друг от друга на расстоянии в 1 м, при микронивелировании составляет около 5 — 8 мкм.
Обладая высокой точностью, описанные методы контроля прямолинейности трудоемки и малопроизводительны; они являются шаговыми методами, и поскольку отсчет показаний снимается визуально, то и точность измерений во многом определяется субъективными качествами наблюдателя. Методы требуют дополнительной обработки результатов измерения.
Дифракционный и интерференционный методы выверки прямолинейности, основанные на использовании физических явлений — дифракции и интерференции света, также являются шаговыми методами и даже в случае их автоматизации остаются трудоемкими и малопроизводительными. Точность дифракционного метода створных наблюдений зависит от качества изготовления аппаратуры, тщательности ее выверки и возможностей самого метода. Средняя квадратическая ошибка наведения составляет ориентировочно 15 мкм для створа длиной около 25 м.
В ряде случаев для контроля протяженных направляющих применяют гидростатическое нивелирование.
Рассмотренные неавтоматические методы проверки прямолинейности направляющих не охватывают всего многообразия известных методов и средств. Являясь основными, они могут дополнить друг друга при их использовании в комплексе.
Стремление перейти к объективным и достаточно производительным методам контроля прямолинейности направляющих большой протяженности привели к разработке и созданию ряда полуавтоматических и автоматических методов и устройств. По принципу действия используемых датчиков их можно условно разделить на два класса: на инерционные и безынерционные. В инерционных приборах для контроля прямолинейности в качестве чувствительных элементов используются отвес или уровень. Эти устройства могут обеспечить выверку прямолинейности направления только одной координаты (по высоте), в силу этого и получили общее название нивелир-автоматов.
Первый проект механического нивелир-автомата был предложен в 1845 г. профессором С.И. Барановским. В приборе Барановского тяжелый маятник с помощью зубчатой рейки перемещал ролик фрикциона интегратора, а диск фрикциона приводился во вращение от колеса прибора, измеряющего пройденное расстояние. Число оборотов ролика фрикциона в этом случае было пропорционально интегралу от произведения синуса текущего угла наклона маятника на пройденное расстояние, т. е. превышению текущей точки, в которой находится прибор, над точкой, откуда начато нивелирование.
Часть V. Автоматизация высокоточного контроля прямолинейности направляющих конструкций большой протяженности...
В дальнейшем были созданы новые нивелир-автоматы П.М. Леонтовским (1915), П.К. Нечипоренко (1925), Ф.В. Дробышевым (1929), Е.В. Раабеном (1934), М.А. Артановым (1935), М.М. Губиным (1945) и другими учеными.
В нивелире Артанова в качестве чувствительного элемента использовался шарнирный маятник, подвешенный на раме передвигающейся трехколесной тележки. Датчик фиксировал угол относительно продольной оси прибора и воздействовал на ведомое звено фрикционного интегратора, связанного с записывающим устройством, имеющим привод от мерного колеса тележки. Датчик был выполнен в виде двух с различными плечами качания спаренных маятников, которые с целью устранения ошибок в показании прибора взаимодействовали с интегратором через дифференциальную систему таким образом, чтобы ведущий и ведомый диск интегратора при воздействии на маятники инерционных сил отклонялись при этом на разные углы от вертикали, сохраняя взаимное направление вдоль оси ведомого диска.
В 1948 г. был создан механический профилограф, в котором для уменьшения погрешности от проскальзывания в центре диска в кинематическую цепь был введен дифференциал, что смещало ролик в одну сторону от центра диска.
Конструкции нивелир-автоматов отличаются друг от друга по исполнению, по типу фрикционного счетнорешающего механизма, но принцип аналогичен, и погрешность приборов составляет около 30 см на 1 км хода.
Общим недостатком механических нивелир-автоматов является малая чувствительность маятника из-за трения в фрикционной паре и проскальзывание в счетнорешающем механизме, которое возникает в динамике при интегрировании превышений.
Применяемый в них в качестве чувствительного элемента отвес под влиянием возмущающих воздействий горизонтальных ускорений превращается в маятник, совершающий сложные колебания около положения равновесия. Эти колебания являются источником дополнительных динамических ошибок и требуют введения в схему прибора корректирующих устройств.
В [26] приводятся результаты испытания профилографа типа Раабена, в котором для компенсации влияния на чувствительный элемент горизонтальной составляющей продольного ускорения в отсчет элементарного превышения вводилась поправка с датчика угловых ускорений.
Точность измерения непрямолинейности оказалась невысокая: для участка рельсового пути в 200 м относительная систематическая ошибка составила 0,0003, а средняя квадратическая случайная ошибка 2,2 см.
Не решают проблему автоматической высокоточной выверки направляющих и попытки применения в качестве задающих направление элементов емкостных датчиков, выполненных в виде ампулы уровня, помещенной между обкладками конденсатора. Эти датчики также являются инерционными; продольные ускорения неизбежно возникающие при движении ампулы, приводят к дополнительным перемещениям пузырька уровня относительно обкладок конденсатора. Это обстоятельство вносит дополнительные ошибки в измерения и накладывает высокие требования к равномерности скорости движения нивелир-автомата.
Для автоматического измерения относительных высот местности в МИИГАиК были разработаны нивелир-автоматы, устанавливаемые на автомашинах. В этих нивелир-автоматах датчиком угла наклона является свободный от механических связей маятник, который от действия горизонтальных ускорений корректируется с помощью специальной системы. Для гашения колебаний маятника, возникающих от различных возмущающих воздействий, в приборах имеется магнитный демпфер. Такая конструкция датчика и использование средств автоматики и счетно-решающей техники позволили при скорости движения 30 км/ч получить высокие результаты: средняя квадратическая ошибка нивелирования на 1 км двойного хода нивелир-автоматом АВА составляет около 10 см.
При выполнении ряда строительных работ, связанных с точной геодезической подготовкой направления и профиля будущих сооружений, применяется прибор управления лучом (ПУЛ).
Точности определения прямолинейности направления системами ПУЛ достаточно высоки и составляют в угловой мере величины порядка нескольких секунд. Однако неравноточность измерений на различных протяженностях и дискретность метода измерения ограничивают возможности применения системы ПУЛ для высокоточной проверки направляющих большой протяженности.
Проверка прямолинейности направляющих по методу «промежуточной призмы» также имеет ряд недостатков. В этом методе в зависимости от местоположения призмы между коллиматором и зрительной трубой, даже если колебания луча и находятся в заданных углах, изменяются виньетирование пучка лучей, принимаемых зрительной трубой, и величина линейных смещений луча со входного зрачка трубы. Это приводит к дополнительным потерям энергии и существенно ограничивает как длину поверяемых направляющих, так и диапазон возможных отступлений от прямолинейности.
Из изложенного следует, что ни один из перечисленных методов не удовлетворяет в полной мере требованиям, предъявляемым к двухкоординатной высокоточной автоматической выверке направляющих большой протяженности. Неавтоматические методы контроля, обеспечивая высокую точность выверки, трудоемки и малопроизводительны, большинство из них позволяет производить контроль прямолинейности только на ограниченных расстояниях. Процесс обработки результатов измерения требует значительного времени.
Известные полуавтоматические и автоматические методы контроля не обеспечивают требуемых точностей выверки либо в силу инерционности применяемых датчиков, либо по причине принципиальных ограничений, заложенных в самих методах.
На основании анализа известных методов и средств для проверки прямолинейности можно сделать вывод о целесообразности использования для решения указанной задачи устройств, основанных на применении безынерционных датчиков направления. В этом случае отпадает необходимость компенсации влияния ускорений; такие датчики, будучи свободными от воздействия сил тяготения, позволят вести контроль прямолинейности одновременно в высотной и плановой координатах.
Существующие геодезические методы и приборы позволяют осуществлять линейные и угловые измерения с высокой точностью, но не могут обеспечить требуемую точность измерения взаимного расположения точек через малые отрезки (1 — 3 м). Метрологические приборы и приборы точного машиностроения обеспечивают высокую точность выверки прямолинейности направляющих на небольших отрезках, но они не применимы для измерений на расстояниях в сотни и тысячи метров.
Следовательно, методика высокоточной выверки прямолинейности направляющих большой протяженности должна сочетать в себе геодезические способы определения положения точек, расположенных на значительных расстояниях, и метрологические способы точных измерений близко лежащих точек.
Высоким требованиям, предъявляемым к точностям выверки направляющих, более всего удовлетворяют оптические и оптико-электронные устройства и методы. Поэтому решение задачи автоматической выверки прямолинейности направляющих большой протяженности с высокой точностью должно идти по пути использования современных достижений оптико-электронного приборостроения и средств счетно-решающей техники, позволяющих не только автоматически следить за заданным референтным направлением, но и автоматизировать процесс обработки результатов измерения.
