Глава 3 . Разработка стенда автоматической поверки

1. Разработка принципиальной схемы стенда

Разработанный стен, предназначенный для автоматизированной поверки измерительных головок, создан на основе клинового компаратора. Модификация заключается в том, что для контроля линейного продольного перемещения вместо стандартной линейки используется преобразователь линейных перемещений ЛИР-15 с рабочим ходом штока 4 мм, что вполне позволяет производить контроль однооборотных измерительных головок типа ИГ и многооборотных измерительных головок типа МИГ с ценой деления 0,001 и 0,002 мм.

Преобразователь линейных перемещений ЛИР-15 соединен шнуром с блоком индикации УЦИ-520, а тот, в свою очередь, соединен с ЭВМ. Таким образом, показания преобразователя линейных перемещений посредством специально разработанного программного обеспечения попадают в таблицу (базу данных). Используя программу Microsoft Office Excel, можно достаточно быстро обработать массив данных и сделать вывод о пригодности или непригодности поверяемой измерительной головки.

Принципиальная схема стенда автоматизированной поверки измерительных головок на основе клинового компаратора:

1. эталонный преобразователь продольного перемещения (ЛИР-15)

2. корпус

3. шарнир, изменяющий угол наклона планки

4. подшипники продольного перемещения каретки

5. поверяемая измерительная головка (1МИГ)

6. зубчатая рейка продольного перемещения

7. паз для концевых мер длины (для изменения угла наклона планки)

8. зубчатое колесо продольного перемещения

9. прижимная пружина

10. каретка продольного перемещения

1. Выбор метода поверки

1. Экспериментальные исследования различных методов поверки:

1. Соединить преобразователь ЛИР-15, блок индикации УЦИ-520 и ЭВМ. Включить приборы, дать прогреться 5-10 минут. Многооборотную измерительную головку 1 МИГ с небольшим натягом в 2-3 оборота установить в гнездо на клиновом компараторе. Вращая штурвал (винт), приводим каретку продольного перемещения клинового компаратора в такое положение, чтобы стрелка индикатора (измерительной головки 1 МИГ) указывала на 0.

2. Запускаем на ЭВМ специальное программное обеспечение, которое предназначено для автоматического создания массива значений. Данные для массива поступают с преобразователя линейных перемещений ЛИР-15 через блок индикации УЦИ-520. Файл, содержащий массив данных имеет расширение.xls. Интерфейс программы – стандартный интерфейс программы MS Excel. В центре кнопка Start ШЦ , нажатие которой открывает форму UserForm1. Нажатие кнопки CommandButton2 записывает показания преобразователя линейных перемещений ЛИР-15 с блока индикации УЦИ-520 в столбец В на первом листе таблицы MS Excel.

3. Стрелка измерительной головки 1 МИГ находится в начале измерительного диапазона (указывает на нулевую отметку шкалы); показания с преобразователя линейных перемещений ЛИР, отображаемые на блоке индикации УЦИ-520, обнулены. Записать показания преобразователя в массив данных нажатием кнопки CommandButton2.

4. Переместить каретку продольного перемещения клинового компаратора поворотным винтом (штурвалом) так, чтобы стрелка измерительной головки 1 МИГ переместилась на 15-20 делений от нулевого значения. Обратным вращением поворотного винта (штурвала) устанавливаем стрелку измерительной головки в прежнее положение (стрелка указывает на 0). Записать показания в массив данных нажатием кнопки CommandButton2.

5. Повторяем эксперимент 100 (сюда уже включен эксперимент, описанный в пункте 3).

ПРИМЕЧАНИЕ: во всех измерениях стрелку измерительной головки подводим к нужному значению с одной стороны (слева). Это позволит исключить погрешность обратного хода.

6. Закрыть форму UserForm1, скопировать массив данных из столбца В в другую таблицу MS Excel для дальнейшей обработки информации.

7. Переместить стрелку измерительной головки на середину цены деления (между соседними штрихами шкалы) вращением поворотного винта (штурвала). Обнулить показания на блоке индикации УЦИ-520. Открыть форму UserForm1. Записать показания с блока индикации в массив данных нажатием кнопки CommandButton2.

8. Переместить каретку продольного перемещения клинового компаратора поворотным винтом (штурвалом) так, чтобы стрелка измерительной головки 1 МИГ переместилась на 15-20 делений от первоначального значения. Обратным вращением поворотного винта (штурвала) устанавливаем стрелку измерительной головки в прежнее положение (стрелка указывает на середину цены деления). Записать показания в массив данных нажатием кнопки CommandButton2.

9. Повторяем эксперимент 100 (сюда включен эксперимент, описанный в пункте 3).

ПРИМЕЧАНИЕ: во всех измерениях стрелку измерительной головки подводим к нужному значению с одной стороны (слева). Это позволит исключить погрешность обратного хода.

10. Закрыть форму UserForm1, скопировать массив данных из столбца В в другую таблицу MS Excel для дальнейшей обработки информации.

1. Обработка результатов эксперимента

Номер изме-рения	Результаты измерений		Номер изме-рения	Результаты измерений		Номер изме-рения	Результаты измерений		Номер изме-рения	Результаты измерений
	мм	мкм		мм	мкм		мм	мкм		мм	мкм
1	0	0	26	0,001	1	51	0	0	76	0,0025	2,5
2	0,0005	0,5	27	0	0	52	0,001	1	77	0,0025	2,5
3	-0,001	-1	28	0,002	2	53	0,0015	1,5	78	0	0
4	0	0	29	0,002	2	54	0,0005	0,5	79	0,001	1
5	0	0	30	0	0	55	0,001	1	80	0,0015	1,5
6	-0,0005	-0,5	31	0,001	1	56	0,0015	1,5	81	0,0005	0,5
7	0,002	2	32	0,0015	1,5	57	0,001	1	82	0,001	1
8	0,0005	0,5	33	0,0005	0,5	58	0,002	2	83	0,0015	1,5
9	0,002	2	34	0,001	1	59	0,0005	0,5	84	0,001	1
10	0,0005	0,5	35	0,0015	1,5	60	0,0025	2,5	85	0,002	2
11	0,0025	2,5	36	0,001	1	61	0,001	1	86	0,0005	0,5
12	0,001	1	37	-0,0005	-0,5	62	0,0015	1,5	87	0,0025	2,5
13	0,0015	1,5	38	0,0018	1,8	63	0,0015	1,5	88	0,001	1
14	0,0015	1,5	39	0,002	2	64	0,0005	0,5	89	0,0025	2,5
15	0,0005	0,5	40	0,002	2	65	0,0005	0,5	90	0,0025	2,5
16	0,0005	0,5	41	0	0	66	0	0	91	0,001	1
17	0	0	42	0,001	1	67	0,0025	2,5	92	0,002	2
18	0,0025	2,5	43	0,0005	0,5	68	0,0015	1,5	93	0,0005	0,5
19	0,0015	1,5	44	0,001	1	69	0,001	1	94	0,0015	1,5
20	0,001	1	45	0,001	1	70	0	0	95	0,001	1
21	0,0005	0,5	46	-0,001	-1	71	0	0	96	0,0015	1,5
22	0,0015	1,5	47	0,0005	0,5	72	0,002	2	97	0,001	1
23	0,002	2	48	-0,0005	-0,5	73	0,0005	0,5	98	0,0005	0,5
24	0,001	1	49	0,001	1	74	0,002	2	99	0,0025	2,5
25	0	0	50	-0,0005	-0,5	75	0,0005	0,5	100	0	0

Массив данных при настройке на 0 отметку шкалы

Массив данных при настройке на середину цены деления (для простоты первое значение считаем равным 0).

Номер изме-рения	Результаты измерений		Номер изме-рения	Результаты измерений		Номер изме-рения	Результаты измерений		Номер изме-рения	Результаты измерений
	мм	мкм		мм	мкм		мм	мкм		мм	мкм
1	0	0	26	0,0015	1,5	51	-0,0015	-1,5	76	-0,003	-3
2	0,0015	1,5	27	-0,001	-1	52	-0,0015	-1,5	77	-0,0045	-4,5
3	0,003	3	28	0,002	2	53	-0,001	-1	78	-0,002	-2
4	0,002	2	29	-0,0015	-1,5	54	-0,0015	-1,5	79	-0,004	-4
5	0,001	1	30	-0,0025	-2,5	55	-0,0035	-3,5	80	-0,004	-4
6	0,0035	3,5	31	-0,0025	-2,5	56	-0,0005	-0,5	81	-0,0045	-4,5
7	0,002	2	32	-0,003	-3	57	-0,0025	-2,5	82	0,005	5
8	0,0015	1,5	33	-0,0035	-3,5	58	-0,001	-1	83	-0,004	-4
9	0,004	4	34	-0,0035	-3,5	59	0,0015	1,5	84	-0,005	-5
10	0,0015	1,5	35	-0,003	-3	60	0	0	85	0,002	2
11	0,003	3	36	-0,0025	-2,5	61	-0,001	-1	86	0,0015	1,5
12	-0,0015	-1,5	37	0,001	1	62	0,0035	3,5	87	0,003	3
13	0,0005	0,5	38	0,0005	0,5	63	0,0005	0,5	88	-0,0035	-3,5
14	0,0025	2,5	39	0	0	64	-0,0005	-0,5	89	-0,0045	-4,5
15	0	0	40	-0,001	-1	65	0,001	1	90	0,003	3
16	0,003	3	41	-0,001	-1	66	0,002	2	91	-0,001	-1
17	-0,001	-1	42	-0,001	-1	67	-0,0015	-1,5	92	0,004	4
18	0	0	43	0	0	68	-0,002	-2	93	0,0005	0,5
19	-0,0005	-0,5	44	-0,002	-2	69	0,0005	0,5	94	0,001	1
20	0,0025	2,5	45	0,001	1	70	-0,0005	-0,5	95	0,0015	1,5
21	0	0	46	-0,001	-1	71	0	0	96	0,001	1
22	0,0005	0,5	47	-0,0025	-2,5	72	-0,002	-2	97	-0,0035	-3,5
23	-0,0005	-0,5	48	-0,001	-1	73	0,0005	0,5	98	-0,0025	-2,5
24	-0,0005	-0,5	49	-0,0025	-2,5	74	-0,004	-4	99	-0,0025	-2,5
25	-0,005	-5	50	-0,001	-1	75	-0,001	-1	100	0	0

3. Проверка нормальности распределения

Для приближенной проверки гипотезы о нормальности распределения  используют показатели асимметрии и эксцесса.

Асимметрия - это показатель, отражающий степень несимметричности кривой дифференциальной функции экспериментального распределения по сравнению с дифференциальной функцией нормального распределения.

Эксцесс - показатель, отображающий  вытянутость (возвышение) кривой дифференциальной функции экспериментального распределения по сравнению с дифференциальной функцией нормального распределения.

Значения асимметрии  (А) и эксцесса (Е) рассчитываются следующим образом:

  

В программе Excel есть встроенные статистические функции для расчета А (функция СКОС) и Е (функция ЭКСЦЕСС).

Выборочные А и Е – случайные величины. Их дисперсии равны

  

Если   и , то распределение считают нормальным. Гипотезу нормальности бракуют, если  много больше и  много больше.

1. Анализируем массив данных, полученных при настройке на 0

|A|=0,02785 |E|=0,61019

D(A)=0,057099 D(E)=0,215235

3√ D(A)= 0,385073 5√ D(E)= 0,735500

1. Анализируем массив, полученный при настройке на середину цены деления

|A|=0,06878 |E|=0,57284

D(A)= 0,057099 D(E)= 0,215235

3√ D(A)= 0,385073 5√ D(E)= 0,735500

Условия нормальности распределения выполняются, следовательно массивы данных подчиняется закону нормального распределения.

1. Построение гистограмм по данным опытов

Настройка на 0 отметку шкалы

Настройка на середину цены деления

Анализируя гистограммы и проведенные ранее расчеты, делаем вывод, что оба массива данных подчиняются нормальному закону распределения. Рассчитаем и сравним математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение обоих массивов данных.

М₁(Х)=0,001 М₂(Х)= -0,0005

σ₁(Х)=0,0008 σ₂(Х)= 0,0022

3.2.5. Выбор метода поверки

Проанализировав проведенные опыты, делаем вывод, что лучше использовать первый метод проведения поверки (с настройкой на 0 отметку шкалы), так как в этом случае наблюдается наименьший разброс показаний (на порядок), чем в случае применения настройки на середину цены деления.

Выбор рабочего эталона.

Преобразователь линейных перемещений.

Рассмотрим преобразователь линейных перемещений модели ЛИР. По физическому принципу работы этот преобразователь относится к классу фотоэлектрических датчиков. Фотоэлектрические датчики используют фотоэлектрический эффект - явление испускания электронов веществом под действием света, открытым 1887 Г. Герцем.

Устройство и работа преобразователей линейных перемещений.

1. Принцип действия.

Принцип действия преобразователей линейных перемещений (ПЛП) основан на растровой модуляции. При относительном перемещении растровой шкалы 1 (рис. __) и индикаторной пластины 2, содержащей растровый анализатор (рис. __) происходит модуляция потока, создаваемого инфракрасными излучателями 3 платы осветителей 4. Модулируемый поток излучения регистрируется кремниевыми фотодиодами 5 платы фотоприемников 6.

Растровый анализатор индикаторной пластины (см. рис.__) имеет четыре поля считывания: А, Ā, В, В. Эти поля считывания реализуют два идентичных канала приема излучения А – Ā и В – В. В состав каждого канала входят два поля считывания, растры которых имеют пространственный фотодиод. Поля считывания канала А имеют пространственный сдвиг растров относительно растров полей считывания В, равный 1/4 шага растра.

Построенные таким образом каналы считывания позволяют получить два ортогональных периодических сигнала |А и |В (рис. __). Наличие ортогонально сдвинутого сигнала позволяет определить перемещение в пределах шага растра, что делает возможным повысить разрешающую способность преобразователя линейных перемещений (ПЛП) в 4 раза по сравнению с шагом растра. Знак фазового сдвига между двумя ортогональными сигналами информирует о направлении перемещения.

Поля Д и Б референтных меток растровой шкалы 1 и индикаторной пластины 2 представляют собой непериодические (кодовые) шкалы, закон формирования которых задан из условия получения автокорреляционной функции кода с явно выраженным максимумом. При относительном перемещении шкалы и индикаторной пластины в зоне совмещения полей референтных меток происходит модуляция инфракрасного потока излучателя 7 и на выходе фотодиода 8 формируется сигнал референтной метки |R_i c явно выраженным максимумом. Поле диафрагмы Г (рис. __) вместе с излучателем 9 и фотодиодом 10 излучает в выработке опорного сигнала в канале референтной метки.

Сигналы, приведенные на рис. __, преобразуются нормирующим преобразователем в выходные сигналы преобразователя линейных перемещений (ПЛП).

1. Конструкция преобразователей линейных перемещений.

Существуют следующие модели преобразователей линейных перемещений: ЛИР-14, ЛИР-15, ЛИР-17. Конструктивно они отличаются выходом кабеля штока и наличием (или отсутствием) его защиты. Общим для этих моделей преобразователей линейных перемещений является конструктивное решение основных узлов и их компоновка (рис. __).

Основные узлы ПЛП:

1. шток 1 с запрессованным на нем ограничителем 2 перемещается в подшипнике качения, наружная обойма 3 которого запрессована в корпусе 4.

2. растровая шкала 5 в оправе жестко связана через ограничитель штока.

3. узел считывания в составе индикаторной пластины 6 платы осветителей 7 и платы фотоприемников 8, смонтированных в оправе 9, крепится к корпусу 4 через штифт 10, что позволяет создавать наклон индикаторной пластины относительно шкалы для обеспечения параллельности штрихов их растров.

Шток, ограничитель и шкала образуют подвижный модуль, способный совершать поступательные перемещения относительно индикаторной пластины в пределах хода штока. Параллельно перемещению штока в корпус установлена направляющая 11. Двумя винтами 12 выбирается зазор между ограничителем и направляющей, что исключает разворот подвижного модуля.

Со стойкой 15 жестко связан кронштейн 16 с закрепленным на нем нормирующим преобразователем 17. Через отверстия в кронштейне пропущены провода от плат узла считывания к нормирующему преобразователю.

Кабель 18 обесточивает питание преобразователя линейных перемещений (ПЛП) и его связь с устройством приема информации потребителя. В ПЛП моделей ЛИР-15, ЛИР-17 кабель вклеен в отверстие корпуса 4, к которому крепится кожух 19. В ПЛП модели ЛИР-14 положение кабеля фиксируется прижимом 20, что предохраняет распайку кабеля на плате нормирующего преобразователя. Выходящий из преобразователя линейных перемещений (ПЛП) конец кабеля проходит через ниппель 21, зафиксированного прижимом 22 на крышке 23 кожуха 24.

11. Разработка элементов ПО.

12. Описание элементов ПО.

Интерфейс программного обеспечения