авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
-- [ Страница 1 ] --

В.С.ПЛОТНИКОВ

ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ

ПРИБОРЫ

Допущено Министерством высшего и среднего

специального образования СССР

в качестве учебника для студентов

оптических

специальностей вузов

М О С К В А " Н Е Д Р А " 1987

Плотников B.C. Геодезические приборы: Учебник для вузов. - М.: Недра,

1987. - 396 с и л.

Даны основы теории, расчета и проектирования геодезических приборов. По­

казана общая методология системного подхода при проектировании приборов,

даны конкретные примеры расчета, обоснования и оптимизации параметров геоде­ зических приборов и их механизмов. Изложены ошибки осевых систем. Приведены сведения о современных геодезических приборах и перспективах их развития.

Для студентов оптических специальностей вузов.

Табл. 11, ил. 172, список лит. - 43 назв.

Рецензенты: кафедра оптических приборов Новосибирского института инже­ неров геодезии, аэрофотосъемки и картографии и П.Д. Иванов, д-р техн. наук (Ленинградский институт точной механики и оптики).

ПРЕДИСЛОВИЕ В решениях X X V I I съезда КПСС записано, что ключевую роль в материа­ лизации новейших достижений иауки и техники партия отводит машино­ строению, причем приборостроение названо среди его приоритетных на­ правлений.

Среди многочисленных видов высокоточных оптических приборов одними из самых широко применяемых являются геодезические, разра­ ботка которых требует подготовки высококвалифицированных спе­ циалистов.

Последнее издание учебника "Геодезические инструменты и при­ боры" [7] вышло в свет в 1973 г. За этот более чем десятилетний пери­ од, естественно, появилось много нового в геодезическом приборостро­ ении. Разработаны новые геодезические приборы, появилась литература с изложением последних достижений науки и техники в этой области.

Многие разработки и положения по геодезическим приборам нашли свое отражение в государственных и отраслевых стандартах. Изменилась и программа курса "Геодезические приборы". Ныне действующий ГОСТ 21830—76 определяет геодезические инструменты к а к приборы, поэтому название курса и соответственно учебника изменено на "Геоде­ зические приборы".

В учебнике в соответствии с программой уделено основное внима­ ние основам теории, методам расчета и проектирования геодезических приборов и их основных частей. Описание отдельных приборов и конст­ рукций дано лишь в том объеме, в котором это необходимо для изложе­ ния вопросов расчета и обоснований параметров. Не освещены также вопросы исследований отдельных частей и элементов, например опреде­ ление цены деления уровня, исследование ошибок делений лимбов, по­ верки приборов и т.п., подробно освещенные в курсах по "Геодезиче­ скому инструментоведению" и "Геодезии".

В учебник включены вопросы, имеющие прямое отношение к расче­ ту и обоснованию параметров геодезических приборов и не рассматри­ вавшиеся в предыдущих учебниках, например ошибки осевых систем, причем этот вопрос рассмотрен с общих позиций, позволивших выявить существенные особенности и характер проявления этих ошибок и уточ­ нить их классификацию. Вопросы проектирования и конструирования освещены также с современных позиций, уделено большое внимание методам оптимизации параметров на основе системного подхода.

Расширены вопросы, связанные с применением теории информации, показаны методы определения информационных параметров геодезиче­ ских приборов с привлечением аппарата дискретной энтропии.

Большое внимание уделено невизуальным автоматическим отсчет ным системам и устройствам, системам с применением лазеров.

Значительно расширены сведения по проектированию кинотеодоли­ тов и оптических приборов спутниковой геодезии.

ВВЕДЕНИЕ § 1. Геодезическое приборостроение и его предмет Геодезия как наука является одной из самых древних наук. Столь же древней является и материальная база геодезии — геодезическое прибо­ ростроение, хотя в современном виде оно оформилось в отдельную дис­ циплину сравнительно недавно.

Геодезическое инструментоведение, составляющее ранее раздел геодезии, под влиянием точного приборостроения, оформилось в само­ стоятельный предмет для подготовки специалистов по разработке геоде­ зических приборов. Учебное пособие проф. С.В. Елисеева "Геодезиче­ ское инструментоведение" (1952 г.) было первой книгой, обобщающей вопросы расчета и конструирования геодезических приборов. В даль­ нейшем по мере развития курса он стал называться для приборострои­ тельной специальности "Геодезические инструменты и приборы", а для геодезических специальностей до настоящего времени читаются курсы "Геодезическое инструментоведение" и "Геодезическое прибороведе ние". Следует отметить, что геодезическое приборостроение во многом обязано своим развитием геодезистам, а не только приборостроителям.

В теорию геодезических приборов внесли большой вклад Ф.Н. Красов ский, А.С. Чеботарев, В.В. Данилов и многие другие геодезисты. Боль­ шой шаг вперед в области создания новых отечественных светодально меров сделан группой специалистов и ученых под руководством проф.

В.Д. Большакова. Разработанные и доведенные до производственного использования светодальномеры серии СТ оказали большое влияние на создание других приборов этого направления. Обобщение теоретических и практических результатов окажет существенное влияние на подготов­ ку специалистов, к а к геодезистов, так и приборостроителей. Следует отметить работы проф. Х.К. Ямбаева, доц. П.Н. Кузнецова по созданию лазерных геодезических приборов многоцелевого назначения, приборов и приспособлений для створных измерений и др. Таких примеров можно было бы привести много. Развитие геодезической науки, появление прин­ ципиально новых ее разделов, таких, к а к "Космическая геодезия", при­ водят к соответствующему развитию геодезического приборостроения.

Теперь уже геодезические приборы служат для измерения объектов от нескольких метров до тысяч километров со все возрастающими тре­ бованиями к точности, степени автоматизации и уровню обслужи­ вания.

Современное геодезическое приборостроение характеризуется при­ влечением новейших средств оптики, квантовой электроники, радио­ электроники, информационно-измерительной, микропроцессорной и вы­ числительной техники, автоматики и систем управления. Создание совре­ менных геодезических приборов невозможно без использования новей ших достижений технологии, микроэлектроники, современной элемент­ ной базы.

За последнее десятилетие все большее внимание уделяется исполь­ зованию новых достижений и в области проектно-конструкторских работ, на приборостроительных специальностях некоторых вузов начали читаться курсы по системному проектированию и конструированию при­ боров. Значительное внимание уделяется изучению и внедрению элемен­ тов систем автоматизированного проектирования (САПР).

Основное содержание предмета "Геодезическое приборостроение" включает основы теории, расчет, проектирование и конструирование геодезических приборов, их частей и устройств на основе системного подхода. Системный подход предусматривает проведение оптимизации параметров прибора с одновременным технико-экономическим анали­ зом конструкторских, технологических и методических мер по обеспе­ чению заданной конечной точности прибора, государственных и отрасле­ вых стандартов.

Труды советских ученых по вопросам теории и точности геодезиче­ ских приборов и установления требований к ним, результаты творчес­ кой работы многих советских геодезистов и приборостроителей позво­ лили успешно создавать новые геодезические приборы.

Сведения об истории развития геодезического приборостроения изложены в упомянутой книге С В. Елисеева и в книге П.Н. Кузнецова, И.Ю. Васютинского, Х.К. Ямбаева "Геодезическое инструментоведение" (М., "Недра", 1984).

§ 2. Основные виды геодезических работ и общая классификация геодезических приборов Геодезические работы характеризуются значительным разнообрази­ ем измерений, вид и точность которых определяются поставленной за­ дачей.

Назначение и точность являются, к а к правило, основными признака­ ми при общей классификации геодезических приборов.

По н а з н а ч е н и ю, в соответствии с основными видами геодезиче­ ских работ, геодезические приборы можно подразделить на следующие группы:

1. Приборы для измерения длин линий.

В зависимости от цели измерения, и в первую очередь от его точно­ сти, применяются различные приборы. Для простых измерений коротких линий - рулетки, ленты, длиномеры, дальномеры геометрического типа;

для высокоточных базисных измерений и измерений значительных рас­ стояний — подвесные мерные приборы (инварные проволоки), свето дальномеры, радиодальномеры. Свето- и радиодальномеры имеют особое значение для повышения производительности и точности измерений, а также при измерении расстояний до недоступных и подвижных объ­ ектов (например в морской и космической геодезии).

2. Приборы для измерения углов.

Здесь следует выделить простейшие приборы — транспортиры, экке­ ры, эклиметры, буссоли;

основные угломерные приборы — теодолиты различного назначения и точности: высокоточные (прецизионные) (для измерения углов при астрономо-геодезических измерениях, в триангу­ ляции и полигонометрии высших классов и т.п.), точные - для измере­ ния углов при сгущении опорных сетей и инженерных съемках, техни­ ческие — для измерений при невысокой точности. В зависимости от назна­ чения, точности и уровня производства принципиальное построение теодолитов может быть различным: они могут быть механическими, оптическими, кодовыми и др. Отдельно следует выделить группу прибо­ ров для измерения небольших углов и угловых отклонений от заданно­ го направления в пределах углового поля. Эти приборы характеризу­ ются небольшим диапазоном измерений (до нескольких градусов) и высокой точностью (0,1 " и выше).

3. Приборы для измерения высот и превышений.

К ним относятся: нивелиры различной точности - с уровнем, с само­ устанавливающейся линией визирования, с наклонным лучом визирова­ ния;

микробаронивелиры;

гидронивелиры;

профилографы.

4. Приборы для створных измерений и контроля установки обору­ дования в проектное положение.

5. Комбинированные и специальные приборы.

К комбинированным приборам, т.е. к приборам, позволяющим получить измерения нескольких видов (например, угол и расстояние), относятся: кипрегели, тахеометры.

Промежуточное положение между комбинированными и специаль­ ными занимают топопривязчики и инерциальные системы. К специаль­ ным можно отнести оптические системы для измерения траектории в космической геодезии и полигонных измерениях (астрометрические приборы типа АФУ-75, ВАУ;

кинотеодолиты;

оптические локаторы;

радиометры-пеленгаторы и др.).

По т о ч н о с т и измерений не по всем группам геодезических прибо­ ров имеется установившаяся классификация. Есть определенные указа­ ния лишь в стандартах на теодолиты, нивелиры и дальномеры. Теодоли­ ты и нивелиры подразделяются на: высокоточные - средняя квадратиче ская ошибка измерения угла не более 1 " и превышения - не более 0,5 м м на 1 к м хода;

точные — не более 10" - по углу и 4 мм на 1 к м хода - по превышению;

технические - более 10" - по углу и более 5 м м на 1 к м хода - по превышению. Подробная классификация основ­ ных геодезических приборов (теодолитов, нивелиров и др.) будет дана в соответствующих главах.

По с т е п е н и а в т о м а т и з а ц и и кроме указанных выше кодовых теодолитов полезно выделить лазерные геодезические приборы (ниве­ лиры, визиры и др.) и многие из комбинированных и специальных при­ боров, обладающих высокой степенью автоматизации (например, топо­ привязчики, инерциальные системы, оптические системы для измерения траектории).

§ 3. Особенности геодезических приборов н основные требования, предъявляемые к ним Геодезические приборы используются как в лабораторных так и в поле­ вых условиях.

Большинство геодезических приборов предназначено для полевых работ в самых различных физико-географических условиях, в любое время года. Это предъявляет особые требования к их конструкции, ко­ торая должна обеспечивать неизменность параметров во времени и при воздействии внешней среды.

Высокоточные геодезические приборы должны надежно функциони­ ровать и обеспечивать заданные параметры при температуре от - 3 до +50 °С, при относительной влажности до 95 % при температуре 20 °С.

Для менее точных геодезических приборов диапазон отрицательных температур увеличен до - 4 0 °С.

Технологические условия проведения геодезических работ требуют частой переноски и перевозки приборов. Это определяет соответствую­ щие требования к геодезическим приборам. Они должны допускать транспортировку любым видом транспорта на значительные расстояния и переноску в укладочных футлярах в походном положении. Отсюда вытекает и очевидное требование минимальной массы и небольших габа­ ритов геодезических приборов и их блоков питания. Допустимая масса многих приборов установлена ГОСТами, например, для всех типов теодолитов и нивелиров. Так, ГОСТ 10529-79 для теодолитов типа Т устанавливает массу не более 5 кг, а с принадлежностями в упаковке — не более 9 к г.

Полевые и экспедиционные условия работы определяют также тре­ бования по минимальному энергопотреблению, удобству чистки, регу­ лировки и юстировки узлов и элементов приборов, удобству проведе­ ния поверок. При этом внутренние полости приборов должны быть на­ дежно защищены от пыли, особенно их оптические системы и элементы, а число необходимых регулировок и юстировок должно быть мини­ мальным. Выполнение комплекса указанных требований с учетом поле­ вых и всесезонных условий работы геодезических приборов, которые в целом относятся к классу точных и высокоточных приборов, состав­ ляет достаточно сложную научно-техническую задачу.

Как было указано в § 2, точность угловых измерений характеризу­ ется ошибками 1 " и менее;

определения превышений - 0,5 м м на 1 к м хода;

определение расстояний - относительной ошибкой^до 1/1 000 000;

астрономические определения - ошибкой 0,3 " и менее.

Раздел I ОСНОВЫ ТЕОРИИ, ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАСЧЕТА И ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ Глава ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИН И УГЛОВ. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ § 4. Основные метрологические характеристики геодезических приборов Метрологические характеристики геодезических приборов выбирают [28] с учетом следующих особенностей последних:

1) геодезические приборы являются многозначными средствами измерений, к а к правило, с большим диапазоном измерений и равномер­ ной шкалой системы отсчета;

2) геодезические приборы предназначены в большинстве случаев для использования по отдельности (вне системы или комплекса), если они сами принципиально не составляют измерительный комплекс или систему. Например, измерительный комплекс траекторных измерении, инерциальная автоматическая измерительная система и т.п.;

3) случайные ошибки измерений существенно влияют на суммарную ошибку геодезических приборов;

4) сложные геодезические системы и измерительные комплексы содержат приборы и системы вспомогательного назначения, метрологи­ ческие характеристики которых являются общими для измерительных приборов [16] и учитываются при проектировании всего комплекса.

С учетом этих особенностей и рекомендаций ГОСТ 8.009-72 можно отметить следующие основные метрологические характеристики геоде­ зических приборов.

1. Диапазон измерений Y =x - x j, где x иxj H max m n max m n верхний и нижний пределы измерения соответственно.

2. jjf - цена деления шкалы, разность значений измеряемой вели­ чины, соответствующей д в у м соседним отметкам шкалы.

3. Характеристики ошибки средств измерений.

3.1. А - суммарная ошибка средств измерений, нормируется обычно пределом Д допускаемого значения суммарной ошибки средств изме­ д рения данного типа: Д = Д + Кт ( Д ° ), где К - коэффициент, зави­ д сд а сящий от принятой доверительной вероятности P К = f(P) определяется t из исследований разработчиком и вносится в конструкторскую и экс плуатационную документацию;

Д - предел допускаемого значения сц систематической составляющей ошибки средств измерения данного типа.

3.2. Д - систематическая составляющая ошибки средств измерений.

с 3.3. Д ° - случайная составляющая погрешности средств измерений.

Характеристики выбираются в зависимости от:

а) / я ( Д ° ) - предела допускаемого значения среднего квадратиче д ского отклонения случайной составляющей ошибки;

б) А ( Д ° ) - стандартной аппроксимации функции распределения случайной составляющей ошибки средств измерений.

Характеристики Д, Д и Д° - ошибки средств измерений - могут с быть выражены к а к характеристики абсолютных, относительных или приведенных ошибок в виде числа или функции информативного пара­ метра. Например, ошибка измерения светодальномерами выражается за­ висимостью Д = ± (а + Ь*10~ D), м м, где D - измеряемая дистанция.

При диапазоне измерений от 0,5 до 40 к м, а - 10, b = 2, дистанции 6 D = 10 к м абсолютная ошибка будет Д = ± (10 + 2-10~ 10-10 ) = = ±30 м м.

Относительная ошибка для линии D- 10 к м :

Дю 30 610 ± 6 ~~ D ~ Ю- 10 ~ 333 000 " Относительная ошибка не является постоянной, даже в случае, если абсо­ лютная ошибка для любой точки диапазона одинакова, так к а к относит­ ся к данной точке диапазона измерений.

Приведенная ошибка характеризуется отношением абсолютной ошиб­ ки к о всему диапазону измерений, т.е. для данного случая 90 1_ А40 = = 6 = Р " *max - *min ( 4 0 - 0,5) ЧО 440 Как видно, приведенная погрешность является постоянной величиной для данного прибора, и в зависимости от ее величины измерительные приборы разделяются на классы точности. Это особенно характерно для электро- и радиоизмерительных приборов.

4. Ъ — вариация показаний прибора — средняя разность отсчетов по измерительному прибору в данной точке диапазона измерений, соответ­ ствующих одинаковым входным сигналам, устанавливаемым независи­ мо. Для геодезических приборов примерами вариаций показаний могут быть изменения отсчетов при наведении трубы на цель вращением мик рометренного винта алидады по ходу и против хода часовой стрелки;

изменение отсчетов по рейке дальномера двойного изображения при совмещении штрихов движением установочного винта на ввинчивание и вывинчивание и т.п.

5. Динамические характеристики прибора:

5.1. t - время установления показаний, время успокоения. Вре­ y менем успокоения характеризуются подвесные системы компенсаторов наклона линии визирования нивелиров, подвесной системы компенса­ тора вертикального круга теодолита и т.п.

5.2. Максимальная угловая скорость подвижной части - с о. Ос­ тах новная динамическая характеристика приборных комплексов для траек торных измерений, датчиков в а л - ц и ф р а, автоматических углоизмери тельных и регистрирующих систем.

§ 5. Сущность процесса измерения углов и линий.

Виды измерений, рабочих мер и основные соотношения Из метрологии известно, что под и з м е р е н и е м понимается процесс, связанный со сравнением измеряемой физической величины с некото­ рым ее известным значением, принятым за единицу. Средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера, называют м е р о й. Различают о д н о з н а ч н ы е меры, воспроиз­ водящие физическую величину одного размера, например концевые меры длины, и м н о г о з н а ч н ы е меры, воспроизводящие ряд одноимен­ ных величин различного размера.

В геодезии измеряемые величины имеют самые различные размеры, поэтому в измерительных средствах применяют многозначные меры.

Как правило, многозначные меры содержат последовательно уменьшаю­ щиеся единицы. Например, рулетка может содержать метры, сантиметры, миллиметры.

В общем виде уравнение измерения может иметь вид:

Q = Nq + Nq +Nq +... +N_q + N Kq, (1.1) x x 2 2 3 3 n x n n n где Q — измеряемая физическая величина, например длина линии или ве­ личина угла;

q q, q,..., q - последовательно уменьшающиеся еди­ J9 2 3 n ницы меры;

N,N,N N - целые числа, показывающие, сколько X 2 3 n единиц меры, начиная от старших, укладывается в измеряемом значении физической величины;

К - дробная часть наименьшей единицы меры, которую можно осуществить отсчетным устройством с пределом разре­ шения Kq. n Различают п р я м ы е и к о с в е н н ы е, а б с о л ю т н ы е и о т н о с и т е л ь ­ н ы е измерения.

При п р я м ы х измерениях искомое значение величины находят пу­ тем непосредственного измерения этой величины, например измерение линии мерной лентой, измерение угла теодолитом и т.п.

* При к о с в е н н ы х измерениях искомое значение величины опреде­ ляют на основании известной функциональной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Напри­ мер, если считать, что скорость распространения света постоянна, или знать с необходимой точностью ее изменение, длину линии можно опре­ делить, измеряя время т распространения излучения между двумя конца­ ми линии, т.е. L = v -т, что и делается при светодальномерных и радио дальномерных измерениях. Следовательно, мера в этом случае должна содержать рабочую меру времени, частоты или фазы. Функциональная зависимость, связывающая время t и значение угла а, т.е. а — cof, может обеспечить при постоянной скорости со определение угла при пря­ м о м измерении времени. Рабочая мера в этом случае должна обеспечить измерение времени, частоты или количества заполняющих калиброван­ ных импульсов.

В геодезии применяют, к а к правило, а б с о л ю т н ы е измерения, ког­ да измеряется полное зйачение измеряемой величины.

Таким образом, в геодезии могут быть применены к а к прямые, так и косвенные измерения.

Вид рабочей меры определяется величиной, подвергающейся пря­ м ы м измерениям. Меры могут быть пространственными, а также меры для измерения времени, частот колебаний, разности фаз и т.п.

Количество единиц меры определяется пределом разрешения отсчет ного устройства (Kq ), необходимой точностью отсчета и структурой n системы отсчета. Следует заметить, что с точки зрения теории информа­ ции шаг квантования определяется не наименьшей единицей меры q, n а пределом разрешения отсчетного устройства, т.е. величиной Kq n где * 1 (СМ. § 2 1 ).

§ 6. Принципиальные схемы геодезических приборов и их выбор При проектировании геодезических приборов выбор принципиальной схемы прибора определяется следующими, заданными в техническом задании основными требованиями и условиями.

1. Назначением прибора, условиями и видом измерений и функцио­ нальными задачами прибора в измерительном комплексе.

2. Заданной точностью измерений.

3. Требованиями к взаимному теоретическому положению частей прибора и допустимыми отклонениями от этого положения в процессе измерений.

4. Методикой измерений, принципиально необходимой для достиже­ ния заданной точности.

5. Видом регистрации результатов и степенью автоматизации.

6. Габаритами и массой прибора.

В соответствии с этим выбираются основные части и узлы геодези­ ческого прибора или измерительного комплекса:

а) рабочие меры (линейные - рейки, шкалы;

угловые - лимбы, шкалы отсчетных барабанов, ампулы уровней и др.;

меры для воспроиз­ ведения и измерения времени, частоты, разности фаз);

б) осевые системы для обеспечения необходимого взаимного поло­ жения частей прибора при проведении измерений (тип монтировки осей, система вертикальной оси, система горизонтальной оси);

в) установочные приспособления - для приведения осей прибора в исходное положение;

г) визирные приспособления, системы наведения и системы слеже­ ния за объектом;

д) отсчетные и регистрирующие устройства и их оптические схемы;

е) автономные системы единого времени;

ж) устройства и системы синхронизации и управления работой изме­ рительного комплекса из нескольких постов;

и) системы обработки и передачи измерительной информации.

Рассмотрим для примера принципиальные схемы нескольких геоде­ зических приборов и измерительных комплексов.

Оптические теодолиты с вертикальным кругом. В соответствии с на­ значением в теодолитах должны быть обеспечены измерения: горизон­ тальных углов, вертикальных углов, расстояний (нитяным дальноме­ ром). Следовательно, принципиальная схема должна составлять соответ­ ствующие структурные цепи. Цепь измерения горизонтальных углов состоит из частей и элементов: рабочей меры — горизонтального лимба;

вертикальной оси и установочных приспособлений;

алидады с отсчетны ми устройствами и уровнем;

зрительной трубы. Цепь измерения верти­ кальных углов состоит: из рабочей меры - вертикального лимба;

гори­ зонтальной оси;

зрительной трубы;

алидады вертикального круга с уровнем;

отсчетного приспособления. Цепь измерения расстояний вклю­ чает: зрительную трубу с нитяным дальномером;

дальномерную рейку с уровнем. Система осей используется по первым двум цепям. Исходя из общего назначения и сопоставления функционального назначения час­ тей выбрана альт-азимутальная монтировка осей - двухосная монтиров­ ка с перпендикулярными друг к другу вертикальной и горизонтальной осями (см. § 78). Такая принципиальная схема характерна для любого теодолита, однако в зависимости от точности и степени автоматизации операций отдельные цепи и звенья принципиальной схемы претерпевают соответствующие изменения.

Например, в технических теодолитах типа ТЗО, Т15 система отсчета односторонняя, что упрощает оптическую схему, в теодолитах типа Т 1, Т2 необходима двухсторонняя система отсчета, что соответственно ус­ ложняет оптическую схему и частную цепочку принципиальной оптиче­ ской схемы и системы отсчета. В зависимости от точности строятся цепи отсчетных устройств — микроскоп с индексом (теодолит ТЗО), шкало вой микроскоп (теодолиты Т5 и Т15), оптический микрометр (теодо­ литы Т1 и Т2).

Однако в соответствии с современными требованиями поля зрения отсчетных устройств всех теодолитов должны быть совмещенными, т.е. отсчитывание по обоим кругам производится по одному микроско­ пу, расположенному рядом со зрительной трубой. Степень автоматизации отдельных операций приводит к соответствующим модификациям приборов и изменению частных цепочек принципиальной схемы. Напри­ мер, в теодолитах для исключения операции установки на нуль уровня на алидаде вертикального круга предусматриваются компенсаторы, автоматизирующие этот процесс (теодолиты Т5К, Т15К). Претерпевает соответствующие изменения и частная цепочка принципиальной схемы добавляется вместо уровня более сложное звено соответствующего ком­ пенсатора.

Зависимость принципиальной схемы от методики проведения изме­ рений частично иллюстрировалась тем, что при отсчете по двум сторо­ нам круга исключается ошибка эксцентриситета. Методически исключа­ ются коллимационная ошибка и ошибка неравенства подставок цапф (см. гл. 3) измерениями при двух положениях круга, для чего принципи­ альная схема прибора должна обеспечивать перевод трубы через зенит.

Следует отметить, что в приборах, в которых при измерениях такая методическая возможность отсутствует, например в кинотеодолитах, так как измерения по подвижному объекту принципиально могут прово­ диться только при одном положении круга, перевод трубы через зенит в принципиальной схеме необходим для проведения поверок прибора, выполнения юстировок, определения коллимационной ошибки, непер­ пендикулярности горизонтальной и вертикальной осей, места нуля вер­ тикального круга и др.

Высокоточный астрономический универсальный теодолит отлича­ ется от рассмотренных теодолитов тем, что при значительных верти­ кальных углах и высокой точности необходимо измерять наклон гори­ зонтальной оси и вводить поправки в измеряемые горизонтальные направления и зенитные расстояния, отсчитываемые по кругам. Для из­ мерения наклона горизонтальной оси появляется новая цепочка в прин­ ципиальной схеме: горизонтальная ось — накладной уровень. Более точный уровень по сравнению с обычными теодолитами устанавливается на алидаду вертикального круга. Самостоятельными являются также цепочка окуляр — микрометр и цепочка часы — хронометр.

Кодовые теодолиты имеют принципиальную схему более сложную, так как степень автоматизации у них самая высокая. Однако это услож­ нение относится в основном к отсчетному устройству автоматического типа, заменяющему обычный лимб с визуальной системой отсчета, и системам регистрации и обработки информации. Осевые системы, визир­ ные приспособления и другие части не отличаются от обычных теодоли­ тов, хотя могут содержать электронные уровни и компенсаторы. Цепь отсчетного устройства содержит меру в виде кодового диска, электрон­ ные блоки считывания и регистрации информации, блоки преобразова­ ния, обработки и передачи информации.

Принципиальная схема нивелира в соответствии с его назначением измерением превышений — состоит из следующих частей. Рабочими мера­ ми цепи превышений в зависимости от степени автоматизации являются уровень и рейка или компенсатор наклона визирной оси и рейка. Цепь содержит ориентирующее устройство, осевую систему и визирную трубу.

Система отсчета этой цепи у технических нивелиров состоит из сетки нитей зрительной трубы, у высокоточных нивелиров — оптического микрометра. Кроме того, в нивелирах имеется цепь измерения рассто­ яний, которая содержит ту же визирную трубу с дальномерной сеткой нитей (нитяный дальномер), ту же рейку. Точность цепи измерения рас­ стояний значительно ниже, чем точность измерения превышений, осо­ бенно по сравнению с нивелирами, отсчет у которых снимается с по­ мощью оптического микрометра.

Примеры построения принципиальных схем геодезических приборов можно было бы продолжить, но с методической точки зрения суть воп­ роса достаточно ясна и из приведенных примеров. В дальнейшем будут изложены принципы построения и расчет конкретных приборов и уст­ ройств.

Глава ВИДЫ ОШИБОК ИЗМЕРЕНИЙ. ПРИНЦИПЫ И ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ § 7. Виды ошибок измерений и их характеристики Все ошибки независимо от причин и характера их возникновения мож­ но подразделить на две основные категории: систематические и случай­ ные. Большинство ошибок изменяет свои значения около нуля в опреде­ ленных небольших пределах. Они могут иметь любое случайное значение в рамках этого предела (нуль, максимальное положительное или отри­ цательное), однако установить заранее конкретное значение таких оши­ бок для определенного момента работы механизма или прибора не пред­ ставляется возможным. Такие ошибки называются с л у ч а й н ы м и (на­ пример, ошибка отсчета по шкале, ошибка визирования и т.п.). Свой­ ства случайных ошибок подробно изложены в [ 4 ].

С и с т е м а т и ч е с к и м и ошибками называются такие, которые обя­ зательно возникают при данных условиях. Действие этих ошибок носит вполне определенный систематический характер, определенным услови­ я м соответствует определенное значение систематической ошибки (абсо­ лютная величина и знак). Систематические ошибки подразделяют на по­ стоянные и переменные. Постоянные систематические ошибки в процес­ се работы прибора сохраняют свою величину и знак (например, ошибка в длине мерной ленты, ошибка в размере шкалы и т.п.). Переменные систематические ошибки в процессе работы механизмов прибора изме­ няются по определенному закону (например, ошибка из-за влияния эксцентриситета изменяется по периодическому закону).

Ошибки могут быть представлены в абсолютном и относительном виде. Например, если при измерении расстояния / = 100 м дальномером абсолютная ошибка составила Д / = 1 0 см, то относительная ошибка AI/1 = 10/100-10 = 1/1000.

Суммарная ошибка измерения в соответствии с ГОСТ 16263- состоит из трех комплексных составляющих: 1) методические ошибки измерения;

2) инструментальные ошибки средств измерений;

3) ошиб­ ки считывания результата.

Причинами м е т о д и ч е с к и х ошибок являются различного рода допущения, принимаемые по отношению к входному сигналу и ориен­ тированию прибора. Составляющими методических ошибок могут быть теоретические ошибки (допущения), например, допущение, что скорость распространения света в воздухе постоянна;

допущения в функциональ­ ных зависимостях величин при косвенных измерениях;

ошибки от влия­ ния температурного градиента, влажности и давления воздуха;

ошибки от влияния видимости;

ошибки входных данных, например, ошибка в расстоянии в топопривязчиках и т.п. Методические ошибки не зависят от работы прибора и слабо зависят от работы оператора, они возникают в большинстве случаев в канале прохождения сигнала от объекта до при­ бора. Таким образом, в методические ошибки входят в н е ш н и е ошиб­ ки (влияние внешних условий), которые часто выделяют в самостоя­ тельную группу. И н с т р у м е н т а л ь н а я составляющая ошибки измере­ ния возникает вследствие неточностей в процессах преобразования и передачи сигнала по элементам цепи прибора, неточности индикации выходного сигнала, что является следствием ошибок функционирова­ ния механических, оптических, электрических и других систем прибора.

О ш и б к и с ч и т ы в а н и я неизбежно возникают при считывании ре­ зультата измерения оператором непосредственно с отсчетно-регистриру ющего устройства. Ошибка считывания может содержать случайную составляющую, связанную с принципом отсчета (округлением отсчета, интерполированием дробной доли деления), и в основном систематиче­ скую составляющую, так называемую л и ч н у ю ошибку Ау, харак­ п терную для определенного конкретного наблюдателя и определяемую экспериментально. В цифровых отсчетных устройствах ошибка считы­ вания определяется принятой мерой дискретизации (шагом квантова­ ния) измеряемой величины, которой является предел разрешения преоб­ разователя.

Таким образом, ошибку измерения можно представить следующей структурной формулой где Д - ошибка измерений;

Ау - методическая ошибка;

Ау — изм м и инструментальная ошибка;

Ау ~ ошибка считывания (преобразова­ ~ сч ния). Следует отметить, что доминирующую роль обычно играет инстру­ ментальная ошибка. Ошибка считывания сводится, к а к правило, до пренебрежимо малых размеров, удается уменьшить и методическую со­ ставляющую. Вместе с тем при расчете комплексной (суммарной) ошиб­ ки, например системы отсчета (см. гл. 9 ), целесообразно ошибку считы­ вания наблюдателем включить сразу в число составляющих частичных инструментальных ошибок, так как суммарная ошибка системы отсче­ та Аус.о определяется к а к часть ошибки измерения угла, а ошибка от­ счета наблюдателя зависит от параметров отсчетного устройства. Целе­ сообразно выделить отдельно комплексную ошибку ориентирования Ау у составляющими которой являются ошибка визирования, ошибка ор установки по уровню и ошибка центрирования. Следует подчеркнуть также, что методические ошибки измерений, зависящие прежде всего от тщательности и метрологической культуры проведения процесса из­ мерений, далеко не идентичны в смысле их влияния на результат изме­ рений, ибо они включают ошибки за внешние условия Ау (внешние ън ошибки), влияние которых трудно оценить количественно и до конца устранить или уменьшить до желаемого уровня. Кроме того, изменения внешних условий оказывают влияние на изменение инструментальных ошибок. Например, изменение температуры вызывает изменение раз­ меров деталей прибора, изменение их сопряжений, а следовательно, зазоров и натягов;

односторонний нагрев вызывает деформации деталей.

Для геодезических приборов это имеет большое значение и должно тща­ тельно анализироваться и учитываться при проектировании. Необходимо отметить, что в геодезических приборах наиболее заметно по сравнению с другими оптическими приборами просматривается прямая связь воз­ можности уменьшения инструментальных ошибок соответствующей методикой измерений (см. гл. 3), причем остаточные методические ошибки, естественно, должны быть сведены до минимального уровня, при котором ими можно пренебречь.

Поэтому в н е ш н и е ошибки применительно к геодезическим прибо­ рам целесообразно выделить в отдельную группу, отделив их от методи­ ческих. В отраслевом стандарте ОСТ 68—2—81 ГУГК ошибки за внеш­ ние условия и личные ошибки выделены отдельно. Тогда структурная формула ошибки измерения примет вид:

А + + А + А + А + Л,зм = АЛ, Л;

.о Л) Увн AV (2.2) Р Как будет показано далее (см. гл. 4), при расчете точности состав ошибок определяется структурной схемой прибора, узла, механизма, так к а к причина возникновения ошибок при их суммировании не имеет решающего значения. Как было отмечено, комплексная ошибка системы отсчета т состоит из ошибки отсчета ш, зависящей от личной ошиб­ с 0 ки наблюдателя, принципа отсчета и параметров отсчетного устройства;

инструментальной ошибки отсчетного устройства, которая также явля­ ется комплексной и содержит ряд частичных ошибок (например, ошибка теоретическая микрометра, ошибка кинематической цепи, ошиб­ ка деления шкалы микрометра и т.д.).

Во многих случаях разделить ошибки на составляющие в соответ­ ствии с формулой (2.2) затруднительно или невозможно, и их учет и суммирование проводят в соответствии со структурной схемой прибо­ ра, узла, устройства с учетом методики измерений, направленной на уменьшение влияния тех или иных ошибок, по правилам, изложенным в гл. 4.

§ 8. Инструментальная ошибка прибора и го отдельных частей Безошибочная работа любых механизмов, узлов и блоков приборов воз­ можна лишь теоретически, в идеальных механизмах, устройствах и сис­ темах. В р е а л ь н ы х механизмах, устройствах и системах невозможно избежать различного рода отклонений от идеального случая. Разница между реальным (действительным) значением рассматриваемого пара­ метра и его идеальным значением составляет ошибку механизма (уст­ ройства) по этому параметру. Ясно, что отдельные механизмы, устрой ства, блоки могут содержать механические, оптические, электрические, электронные и другие части и элементы.

П о л н а я ( с у м м а р н а я ) и н с т р у м е н т а л ь н а я о ш и б к а механизма, сборочной единицы или прибора состоит из многих отдельных, так назы­ ваемых ч а с т и ч н ы х ошибок. Частичные ошибки более высокого ранга являются комплексными, например, ошибка системы отсчета представ­ ляет собой сумму более мелких частичных ошибок (ошибка отсчета, ошибка микрометра и др.). В свою очередь ошибка микрометра, напри­ мер, с плоскопараллельной пластинкой состоит из суммы частичных ошибок последующего ранга — ошибки нелинейности (теоретическая ошибка, см. далее), ошибки кинематической цепи, ошибки шкалы от­ счетного барабана и т.п.

О с н о в н ы м и с о с т а в л я ю щ и м и инструментальной ошибки оптиче­ ских приборов являются:

1. Теоретические ошибки, т.е. ошибки, не зависящие от качества изготовления прибора:

а) отступления от строгого математического решения задачи прибо­ ром (допущения в формулах, решаемых механизмом), принятые с целью упрощения конструкции: например, допущение, что смещение луча плоскопараллельной пластинкой в микрометре линейно зависит от ее угла наклона;

б) ошибки оптических систем, связанные с теоретическими возмож­ ностями их расчета (например, расчетные значения аберраций);

в) теоретические ошибки функциональных зависимостей (например, ошибка вычисления длины окружности по формуле / = nD зависит от точности задания числа тг и ошибки измерения диаметра D). Теорети­ ческие ошибки, к а к правило, являются систематическими.

2. Первичные ошибки механизмов - ошибки размеров, формы и положения деталей, возникающие при изготовлении и работе механизма.

Первичные ошибки механизмов, оказывающие наибольшее влияние на их точность, подразделяют на следующие виды:

а) технологические первичные ошибки — производственные ошибки изготовления деталей (ошибки размеров, расположения и формы рабо­ чих поверхностей) и ошибки сборки (смещения, перекосы и т.п.);

ха­ рактер проявления этих ошибок случайный;

б) смещения в зазорах кинематических пар. Величина смещения определяется величиной зазоров, а направление смещения - направлени­ ем действующих усилий;

зазоры являются технологическими ошибками и носят случайный характер;

в) силовые деформации деталей от сил тяжести, внешних (нагрузоч­ ных) сил, сил трения и т.п. По характеру проявления эти ошибки отно­ сятся к систематическим;

г) температурные деформации деталей. Изменение размеров деталей при изменении температуры по сравнению с исходной (20 °С) приво­ дит к ошибкам, принимаемым в расчет к а к систематические;

д) влияние сил трения в кинематических парах. Силы трения вызы­ вают деформации, износ, смещение деталей в зазорах;

2 - B.C. Плотников е) влияние колебаний и вибраций в процессе работы. Причинами могут быть внешние условия, неуравновешенность вращающихся частей и деталей, зазоры и трение в кинематических парах, недостаточная жест­ кость несущих элементов, отсутствие или несовершенство амортизирую­ щих устройств и т.п.

Первичные ошибки, возникающие в процессе работы прибора, на­ зывают э к с п л у а т а ц и о н н ы м и. К ним относятся силовые и темпера­ турные деформации, влияние сил трения, износ, влияние колебаний и вибраций.

§ 9. Принципы проектирования и конструирования приборов При проектировании измерительных приборов основными задачами являются: разработка структурной схемы (структурный синтез), раз­ работка схем - оптической, кинематической, электрической и т.п.;

определение и обоснование конструктивных параметров (параметриче­ ский синтез);

разработка конструкции прибора на этапах эскизного и технического проектов, рабочий проект. Стадии и этапы проектирова­ ния оптических приборов подробно изложены в [23]. Основным доку­ ментом при проектировании является т е х н и ч е с к о е з а д а н и е ( Т З ).

Требования к составлению Т З и его содержанию являются общими для любых оптических приборов (см., например, [23]). Главным требо ванием ТЗ на разработку измерительного прибора является обеспечение з а д а н н о й т о ч н о с т и, что равнозначно условию минимизации инстру­ ментальной ошибки прибора и ошибок функционирования отдельных частей и механизмов.

В ТЗ' должны быть заданы лишь основные, определяющие требова­ ния и параметры. Задавать излишние, особенно взаимозависимые, пара­ метры не только не целесообразно, но и вредно, так как это приведет к невозможности оптимизации параметров и необходимости дополни­ тельных согласований пунктов Т З.

При разработке Т З необходимо учитывать все известные требова­ ния ГОСТ и других стандартов, относящиеся к проектируемому прибо­ ру. Например, существует общее требование для всех теодолитов оптическая схема отсчета должна обеспечить снятие отсчета по обоим кругам в одном поле зрения окуляра и окуляр отсчетного микроскопа должен быть размещен рядом с окуляром зрительной трубы. Это требо­ вание является основным для определения оптической схемы и структу­ ры всех устройств системы отсчета. Это требование должно быть поло­ жено в основу при с т р у к т у р н о м с и н т е з е прибора. Дополнительным требованием, усложняющим систему отсчета и ее структуру, может быть требование необходимости отсчета по двум противоположным частям круга для устранения влияния эксцентриситета. Но эта необходимость может быть окончательно выявлена при п а р а м е т р и ч е с к о м с и н т е з е, когда определены основные параметры всех структурных цепей и звень­ ев, на основе с и с т е м н о г о п о д х о д а с учетом о п т и м и з а ц и и поточ­ ности, габаритным размерам, жесткости, надежности, технологичности.

При этом обязательно учитывается влияние изменения внешних усло­ вий в заданных ГЗ диапазонах (например, диапазон изменения темпера­ туры для теодолитов разной точности, как было указано в § 3, опре­ делен в ГОСТ, а в Т З он может быть лишь расширен).

Структурная схема прибора и его отдельных частей определяется с учетом соображений и условий, изложенных в § 6, и уточняется на ос­ нове структурного синтеза. При структурном синтезе, который про­ изводят также на основе системного подхода, следует использовать ряд принципов. Принцип к о м п л е к с н о с т и структурных цепей предпо­ лагает использование механических, оптических, оптико-злектронных и других структурных элементов. Исходная схема определяется, к а к правило, на основе опыта (методом аналогии). Принципы у с и л е н и я с и г н а л а применяют при необходимости усилить слабый входной сигнал без существенных помех до уровня восприятия его органами чувств оператора. Например, разрешающая способность глаза оператора повы иается (усиливается) в Г раз в системе прибор - глаз, где Г - видимое /величение оптической системы. Принцип т о ч н о й ф и к с а ц и и чувстви­ тельных, визирных и позиционных элементов, например, в теодолите предусматривает точное наведение зрительной трубы, точное ориентиро­ вание в пространстве осей, лимбов и отсчетных индексов. Принцип к р а т ч а й ш е й с т р у к т у р н о й цепи соблюдают для уменьшения влия­ ния технологических и эксплуатационных ошибок.

К и н е м а т и ч е с к и й п р и н ц и п к о н с т р у и р о в а н и я позволяет избе­ жать деформаций деталей и частей прибора при их сопряжениях. Число опор должно быть достаточным для статической определенности детали или механизма с учетом действия сил тяжести. Лишних опор не должно быть, ибо они приводят только к нежелательным деформациям. Так, плоскость определяется тремя точками, поэтому, например, подъемных винтов должно быть три, а не четыре, как в некоторых зарубежных при­ борах, например американских;

линия любой длины определяется дву­ мя точками, поэтому промежуточная жесткая опора (кроме двух), например, винта приведет к его деформации;

положение горизонтальной оси в лагерах определяется пятью точками - по две на каждую цапфу для фиксации оси в вертикальном направлении и одна - для фиксации в направлении вдоль оси. При весьма малых допусках на детали систе­ мы вертикальной оси, например цилиндрической, и малых зазорах при соблюдении кинематического принципа конструирования предусматри­ вают "освобождения", т.е. касания осевой пары по двум узким пояс­ кам вверху и внизу, а не по всей длине оси, так как ошибки изготовле­ ния привели бы к возникновению лишних точек опоры (кроме двух), возможной деформации оси, неравномерности вращения и даже закли­ ниванию, причем чем длиннее ось, тем точнее она должна быть изготов­ лена.

Следует учитывать, что опоры в точках при значительной массе при­ бора или специально предусмотренной замыкающей силе приводят к большим удельным давлениям, поэтому практически опоры в точках заменяются опорами по площадкам и линиям, хотя и небольшого раз­ мера.

2* Для уменьшения удельного давления и сил трения на точных рабо­ чих поверхностях, например на цапфах горизонтальной оси тяжелых высокоточных приборов, предусматривают разгрузку, например, лож­ ными лагерами, принимающими на себя основную нагрузку всей систе­ м ы горизонтальной оси.

Необходимо, так же как и при параметрическом синтезе, соблю­ дать принципы технологичности, минимизации габаритных размеров, компактности, эргономики и технической эстетики, функциональной надежности, стоимости. На этапе разработки структурных и принципи­ альных схем механизмов, устройств и прибора в целом составляются математические зависимости, связывающие обобщенные координаты и параметры устройств.

Если у и JC — выходная и входная обобщенные координаты устрой­ ства, то функция преобразования сигнала (ФПС) определяется как у = f{x,p.qy (2.3) передаточные функции сигнала — прямая А и обратная Л — мо­ х у ух гут быть представлены производными ФПС, т.е.

dx dy Л = А = ху ' ух ' (-) dy где р — параметры, не зависящие от схемы, a q — параметры, которые зависят от схемы и которые необходимо определить.

Масштаб преобразования сигнала определяется уравнением чувстви­ тельности измерительной цепи S = Ау/Ах, (2.5) yx где Ау и Адг - изменения выходной и входной координат измеритель­ ной цепи. При достаточно малых Ау и AJC S ^Л, что часто исполь­ yx ух зуется при определении схемных конструктивных параметров измери­ тельных цепей.

Для всех источников ошибок, которые могут быть выявлены, со­ ставляются уравнения точности:

А = А А -Ч- У */' ( Я( где Ау - частичные ошибки функционирования цепи по парамет i РУ Qj', А у ~ передаточные функции ошибок по параметру q.\ Aq — i q i ошибки параметров, первичные ошибки.

Суммарная ошибка механизма, цепи, прибора представляет собой комплексную ошибку суммарного влияния частичных ошибок, входя­ щих в рассматриваемую цепь, поэтому главной задачей является задача определения наивыгоднейшего (оптимального) соотношения частичных ошибок на основе системного подхода при заданном значении суммар­ ной или комплексной ошибки.

В соответствии с известным принципом наложения (суперпозиции) частичных ошибок суммарная ошибка = Z Дду. (2.7) /- Однако во многих случаях функция, связывающая результат единично­ го измерения с отдельными структурными звеньями, при проектирова­ нии неизвестна, функцию передачи сигнала составить не представляется возможным. В таких случаях при параметрическом синтезе с учетом сис­ темного подхода оцениваются и назначаются частичные комплексные ошибки отдельных структурных частей и элементов, выбираются конст­ руктивные элементы и параметры, допуски на их изготовление, произво­ дится проверочный расчет на точность, уточняются допуски на изготовле­ ние конструктивных элементов и значения частичных и комплексных ошибок. Суммирование частичных ошибок производится по правилам, изложенным в гл. 4.


Параметрический синтез - это сложный многоступенчатый и много­ вариантный процесс, для этапов которого можно наметить следующую примерную последовательность [14]: находятся функции преобразова­ ния сигнала для структурных элементов и цепи в целом;

составляются выражения для передаточных функций;

на основе полученной при струк­ турном синтезе системы индикации выходного сигнала и способе его регистрации и измерения определяется чувствительность измерительной цепи, а следовательно, масштаб преобразования сигнала и передаточные функции цепи. Формулы для передаточных функций являются исходны­ ми и составляют основу для дальнейших расчетов значений параметров;

для выбора vl обоснования параметров кроме функциональных зависи­ мостей (и для структурных частей и элементов, где функциональные за­ висимости отсутствуют) при системном подходе принимаются во внима­ ние технологические, эргономические, экономические, эксплуатацион­ ные и другие соображения и факторы. Нормированные значения парамет­ ров (например, фокусные расстояния объективов, увеличение окуля­ ров, шаги точных резьб, модули зацепления и т.п.) и принятые заданные или целесообразные ограничения (например, минимальное число зубьев шестерни, габаритные размеры, полезное увеличение микроскопа и т.п.) позволяют определить значение этих параметров сравнительно легко.

С таких параметров целесообразно начинать исследование многопарамет­ рической цепи. Выбор параметров производят методом проб, используя известные из опыта аналогии, "опорные" варианты решения. В большин­ стве случаев задача усложняется тем, что многие параметры являются взаимозависимыми и решение может быть найдено путем целесообраз­ ных компромиссов в процессе решения задачи оптимизации.

Необходимо учитывать зарекомендовавшие себя правила.

1. Оптимальное соотношение частичных, первичных и комплексных ошибок одинакового ранга соответствует случаю, когда отдельные ошибки примерно равны между собой. Уменьшение одной из ошибок в суммируемом ряду практически не уменьшает суммарную ошибку, а трудоемкость изготовления и стоимость детали, механизма, устрой­ ства существенно повышаются. Существенно большая ошибка в ряду примерно одинаковых ошибок также нежелательна, так к а к на суммар­ ную ошибку она влияет существенно, что в процессе измерений потре­ бует уменьшения этого влияния трудоемкими и дорогостоящими мето­ дическими мерами. Однако методические пути уменьшения влияния той или иной ошибки во всех случаях должны быть тщательно проана­ лизированы (см., например, гл. 3), так к а к может оказаться, что умень­ шение допусков на изготовление деталей и сборку менее выгодно, чем уменьшение влияния ошибки методикой измерений.

2. Общий коэффициент усиления сигнала с точки зрения точности выгодно распределить между структурными элементами цепи так, что­ бы наибольшее усиление приходилось на начало цепи, т.е. на первичную и сразу следующую за ней ступень преобразования сигнала.

3. При распределении передаточной функции структурной цепи меж­ ду составляющими звеньями, если главным требованием является точ­ ность, следует: для цепей, работающих на замедление, предусматривать наибольшее возможное замедление на выходе, постепенно снижая его ко входу;

для цепей, работающих на ускорение, наоборот, выгодно иметь наибольшее ускорение на входе, постепенно уменьшающееся к выходу.

Все требования и обеспечивающие их параметры можно подразде­ лить по значимости на следующие: 1) генеральные (главные), 2) важные, 3) второстепенные, 4) желательные. По характеру связей параметры раз­ личаются следующим образом: а) независимые, б) взаимозависимые.

По характеру ограничений - предписанные (заданные ГОСТ), норми­ рованные, сильно ограниченные, слабо ограниченные, свободные. Ясно, что при расчете и проектировании различным параметрам уделяется вни­ мание в порядке их классификации. В первую очередь обеспечиваются генеральные параметры, иногда в ущерб всем остальным. Характер свя­ зей и ограничений параметров определяет последовательность и процеду­ ру их выбора.

§ 10. Исходные данные для проектирования геодезических приборов Исходные данные, необходимые при проектировании, расчете и конст­ руировании геодезических приборов, можно разделить на следующие.

1. Исходные данные, заданные в Т З на разработку прибора.

2. Исходные данные, полученные из обзорных, информационных, отчетных и патентных материалов по данному виду и классу приборов и устройств.

3. Справочные исходные данные (общие и специальные).

4. Данные по предельным технологическим возможностям изготов­ ления ответственных деталей и сопряжений.

1. Как было отмечено, требования Т З должны быть согласованы с соответствующими требованиями ГОСТ, ОСТ и других стандартов;

они должны быть на уровне или выше требований ГОСТ. Основными требованиями являются: назначение;

условия эксплуатации (см. § 3);

предельные масса и габариты;

виды и особенности измерений;

пример­ ная методика измерений;

пределы и точность результатов измерений;

степень автоматизации;

особые условия. Т о ч н о с т ь результатов и з м е р е н и й задается средней квадратической ошибкой конечного ре­ зультата;

предельной ошибкой (абсолютной или относительной). Напри­ мер, для теодолита может быть задана средняя квадратическая ошибка измерения горизонтального угла одним полным приемом (для теодоли­ та типа Т2 — 2 " ). Задание только точности без указания методики изме­ рений делает задачу для конструктора неопределенной, ибо конструктор должен проанализировать возможные варианты ее решения. Так, ошибку измерений не более 2 " можно получить теодолитом, имеющим ошибку измерения угла одним приемом не более 1 " (типа Т1), но измерять угол одним полуприемом. При отсутствии аналогий и исходного варианта конструкции такой случай вполне возможен, особенно если речь идет о принципиально новой идее прибора, и в этом случае конструктор дол­ жен проанализировать все возможные варианты сочетания целесообраз­ ного уровня точности, технологии изготовления и методики измерений на основе системного подхода. При этом решаются и вопросы оптималь­ ного распределения ошибок на отдельные части прибора.

2. Обзорные сведения такого рода могут быть получены в государ­ ственных центрах научно-технической информации, отраслевых НИИ и подготовлены специальной группой отдела научно-технической инфор­ мации организации-разработчика. В квалифицированных конструктор­ ских организациях и подразделениях наличие систематизированных обзорных материалов, относящихся к основным видам разрабатыва­ емых приборов, должны составлять обязательный фонд, полнота кото­ рого определяет научно-технический уровень и сроки проведения ОКР.

3. Справочные исходные данные полезно разделить на общие и спе­ циальные. К общим можно отнести, например, данные о физико-химиче­ ских свойствах материалов, таблицы допусков и посадок, общие данные об источниках и приемниках излучения и многие другие данные, имею­ щиеся в справочной литературе. К специальным относятся справочные данные, которые трудно в систематизированном виде найти в справочной литературе. Такие данные должны накапливаться и систематически пополняться разработчиками. Например, данные о физиологических возможностях глаза (разрешающая способность для различных условий наблюдения, спектральный диапазон и максимум чувствительности, контрастная чувствительность и др.);

специальные данные об источни­ ках и приемниках излучения (время стабилизации лазерного пуч­ ка и пр.).

4. Предельные технологические возможности изготовления ответ­ ственных деталей и сопряжений прямо влияют на конструкцию. Приве­ дем некоторые достигнутые (1980 г.) показатели:

1) ошибка нанесения штрихов на стеклянных лимбах 0,5 ";

2) колебания цены деления уровня на разных частях ампулы при цене деления г = 1 " — не более 10 %;

3) наименьшая толщина штрихов на лимбе — 1,5 м к м, сеток и шкал - 1 — 2 м к м ;

4) наименьший шаг резьбы микрометренных винтов t = 0,25 м м (желательно не менее 0,35 м м ) ;

ошибка шага At =0,5 м к м ;

5) максимальная "эллиптичность" цапф астрономо-геодезических приборов — 0,2 м к м (при индивидуальном изготовлении и доводке);

6) минимальный зазор в цилиндрических осях между осью и втул­ кой - до 0,8 м к м, при селективном отборе — до 0,3 — 0,5 м к м (без учета необходимого зазора для нормальной смазки);

7) отклонение шариков опорных подшипников от сферичности — 0,2 — 0,3 м к м.

Исходные данные по пп. 2, 3, 4 должны составлять основу банков данных специализированных САПР.

Глава ОШИБКИ ОСЕВЫХ СИСТЕМ УГЛОМЕРНЫХ ПРИБОРОВ, ИХ ВЛИЯНИЕ НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЙ § 11. Классификация ошибок осевых систем угломерных приборов Ошибки осевых систем геодезических приборов изучены достаточно хо­ рошо и освещены в литературе. Однако, учитывая, что характер этих ошибок является общим для любых угломерных приборов, в том числе и для приборов типа кинотеодолитов, представляется целесообразным изложить эти ошибки с общих позиций, а в ходе изложения показать специфику проявлений той или иной ошибки в зависимости от типа прибора и условий измерений. Это тем более целесообразно, что в от­ дельных случаях отдают предпочтение явно условиям измерений, напри­ мер, при измерении углов теодолитом в геодезии недооценивают влия­ ние ошибки наклона вертикальной оси. Ошибку наклона вертикальной оси во многих случаях не относят даже к инструментальным и считают, что эта ошибка возникает лишь из-за неточной установки вертикальной оси в отвесное положение по уровню [6, 15].


Полагая, что теория измерения горизонтального угла и необходимое при этом теоретическое положение осей угломерного прибора известны из курса геодезии, перейдем к классификации ошибок осевых систем угломерных приборов.

С учетом изложенного ошибки осевых систем угломерных прибо­ ров можно классифицировать следующим образом.

1. Ошибки эксцентриситета: а) эксцентриситет визирной оси;

б) экс­ центриситет осей лимба и измерительной (алидадной) части.

2. Коллимационная ошибка.

3. Смещение визирной оси за счет гнутия трубы и нестабильности положения оптических элементов.

4. Ошибка наклона горизонтальной оси: а) колебания наклона собственно горизонтальной оси из-за ошибок изготовления ее элемен­ тов;

б) неперпендикулярность горизонтальной и вертикальной осей (неравенство подставок цапф);

в) наклон горизонтальной оси из-за наклона вертикальной оси.

5. Ошибка наклона вертикальной оси:

а) наклон вертикальной оси из-за ошибки в ее установке в отвесное положение: 1) ошибка юстировки уровня;

2) ошибка установки оси по уровню;

б) колебания наклона вертикальной оси из-за ошибок изго­ товления ее элементов;

в) наклон вертикальной оси за счет упругих де­ формаций при неуравновешенности вращающейся части.

6. Ошибка наклона плоскости лимба к соответствующей оси его вращения.

§ 12. Ошибки эксцентриситета Эксцентриситет визирной оси. Эксцентриситет визирной оси означает, что вертикальная плоскость, в которой она находится, при измерении направления не проходит через точку пересечения горизонтальной и вер­ тикальной осей и через центр лимба. Эксцентриситет визирной оси возникает из-за несовпадения визирной оси с геометрической осью тру­ бы и изменения этого положения при устранении коллимационной ошиб­ ки;

из-за смещения визирной оси за счет колебаний фокусирующей лин­ зы при фокусировке на различные расстояния;

при регистрации изобра­ жения цели для уменьшения ошибок слежения, когда изображение цели не совпадает с центром перекрестия кадра (аналогичная ошибка, хотя и значительно меньшая, возникает при наведении на цель окуляр-микро­ метром).

Эксцентриситет визирной оси е приводит к ошибке в направлении, равной 0 =-ур". (3.1) э где S — расстояние визирования.

Величина е может быть определена при исследовании движения фокусирующей линзы по изложенной в литературе методике [6, 27].

Величина е, обусловленная колебанием фокусирующей линзы, может достигать нескольких десятых долей миллиметра [ 6 ].

Ошибка эксцентриситета визирной оси при измерении одного на­ правления устраняется измерениями при двух положениях круга. Одна­ к о при измерении угла остаточное влияние ошибки может быть весьма ощутимым. Это означает, что во всех указанных случаях в геодезиче­ ских приборах ошибки, приводящие к эксцентриситету визирной оси, не должны выходить за определенные допустимые пределы.

Особое внимание должно быть обращено на ошибку эксцентрисите­ та визирной оси в кинотеодолитах и аналогичных им приборах, так к а к Рис. 1. Эксцентриситет визирной оси при определении направлений на подвижный объект измерения могут проводиться лишь при одном положении круга, т.е. один раз.

При регистрации изображения объекта (рис. 1) величина его линей­ ных координат, например х, относительно перекрестия кадра О может х быть значительной. При величине х = 10 м м и соотношении / = / # / величина е = 5 м м, что при расстоянии S = 3 к м дает ошибку в направ­ лении s ер" в =-— = — = 0,33.

Такую величину ошибки в высокоточных кинотеодолитах необходимо учитывать, вводя соответствующие поправки в результаты измерений.

Эксцентриситет осей лимба и измерительной части. Вследствие по­ грешностей изготовления деталей и сборки ось вращения лимба, центр окружности делений и ось вращения алидадной части прибора не совпа­ дают и возникает эксцентриситет алидады. Максимальная ошибка в на­ правлении из-за эксцентриситета е при радиусе лимба г составит tt = sine 3 ^шах " " Г " ;

0 0max ( где а — угловое положение верхней части прибора. Исследование экс­ центриситета алидады описано в литературе [27].

Для исследования эксцентриситета алидады в разных частях лимба составляют п уравнений вида v = х sin q - у cos щ + v ;

по найденным i f Q величинам х, у и v вычисляют величины и влияния эксцентрисите­ 0 i та на разность отсчетов и строят график эксцентриситета. Кривая графи­ ка, к а к следует из формулы для v будет синусоидой.

iy При е = 5 м к м и диаметре лимба 90 м м j 3 = 23 ". Допустимая max величина линейного эксцентриситета в современных теодолитах состав­ ляет несколько микрометров, а его максимальная угловая величина не превышает в среднем 7 Отсчетами по двум противоположным сторо­ нам лимба ошибка в направлении из-за эксцентриситета алидады, к а к известно, устраняется.

§ 13. Коллимационная ошибка Коллимационная ошибка — это отклонение от перпендикулярности ви­ зирной оси и горизонтальной оси вращения трубы.

При отсутствии коллимационной ошибки визирная ось при враще­ нии трубы по углу места описывает коллимационную плоскость ZPA, перпендикулярную к оси вращения трубы НН' (рис. 2).

Пусть OZ — вертикальная ось прибора, при вращении вокруг кото­ рой горизонтальная ось НН' описывает горизонтальную плоскость HNH* N'. HZH' — вспомогательная сфера произвольного радиуса с цент­ ром в точке О — пересечением визирной оси с осью вращения.

Если прибор не имеет коллимационной ошибки, то при вращении трубы, наведенной на предмет М, вокруг оси НН' визирная ось трубы опишет на поверхности вспомогательной сферы дугу большого круга ZPA. Плоскость этого круга будет проходить через отвесную линию ZO. Если прибор имеет коллимационную ошибку С, то при неизменном положении алидады визирная ось при вращении трубы вокруг горизон­ тальной оси опишет на поверхности вспомогательной сферы дугу малого круга Z'A', которая будет следом пересечения вспомогательной сферы с конической поверхностью с вершиной в точке О, описываемой визир­ ной осью трубы. След ZW не будет проходить через направление на предмет М. Чтобы навести трубу на предмет М, надо повернуть алидаду вокруг вертикальной оси Z0 на угол (С) так, чтобы малый круг Z'A' занял положение Z{PA\. Тогда коллимационная плоскость трубы, плос­ кость, перпендикулярная к оси вращения, расположится в плоскости большого круга ZOA i, которая составит с плоскостью большого круга ZPA угол (С), а ось вращения трубы займет положение НН', перпенди Рис. 2. Влияние коллимационной ошибки кулярное к плоскости ZOA. Очевидно, что в результате такого поворо­ х та алидады отсчет по горизонтальному кругу изменится на угол (О, который и будет влиянием коллимационной ошибки С на отсчет по го­ ризонтальному кругу.

Для установления соответствующей зависимости проведем через горизонтальную ось НИ* дугу большого круга НРН* и рассмотрим образовавшийся прямоугольный сферический треугольник ZPQ. В этом треугольнике сторона PQ = С, сторона PZ = 90° - а, где а - угол наклона направления на предмет М, а угол при точке Z = (С). Д л я этого треугольника напишем:

cos (90° - С) = sin (90° - a) sin (С), откуда sin ( С ) = sin C/cosa.

Учитывая, что углы С и (С) малы, заменяя их синусы первыми членами их разложения в ряд, окончательно получим:

(С) = C/cosa. (3.3) Величина С при переводе трубы через зенит будет изменять свой знак.

Из формулы (3.3) видно, что величина (С) при этом также изменяет свой знак. Это означает, что среднее из отсчетов по горизонтальному кругу, полученных при наведении на один и тот же предмет при двух положениях вертикального круга, будет свободно от влияния коллима­ ционной ошибки, если ее величина в процессе измерений остается посто­ янной.

Для установления влияния коллимационной ошибки на результаты измерений вертикального угла рассмотрим сферический треугольник HP А. В нем РА — a, HP = 90° - С, а угол между сторонами HP и ПА равен углу наклона а, который будет измерен прибором, имеющим кол­ лимационную ошибку. Д л я треугольника НРА, учитывая, что угол при точке А равен 9 0 °, напишем:

cos (90° - a) = sin (90° - С) sin a', отсюда sin a = sin a' cos C, так к а к C 1 О • cos С = 1 - 2 sur —, TO :

sin a = sin a (1 — 2 sin Отсюда sin а - sin а = 2 sin а' sin - у - »

а +а а'—а С, cos sin = sin — sin a — 2 2 Величина a — а выражает влияние коллимационной ошибки С на ре­ зультат измерения угла наклона. Обозначив эту величину через (С)' и положив, ввиду малой разности между а и а, (а + а)/2 — а, получим:

(С) С.2. ' sin—— = snr — tg а.

Ввиду малости величин (С)' и С, заменяя их синусы первыми членами разложения в ряд, получаем:

(С)' = tg а'. (3.4) Из формулы (3.4) видно, что знак величины (С)' остается постоянным при измерениях, проведенных при обоих положениях вертикального круга. Следовательно, влияние коллимационной ошибки на результат измерения вертикального угла при двух положениях круга не устраня­ ется. Однако сама величина ошибки мала. Так, при коллимационной ошибке С = Г ошибка вертикального угла составляет для а' = 8 5 ° ( С ) ' = = 0, 1 ", а для а = 8 9 ° - (О' = 0,5".

На постоянство коллимационной ошибки оказывает влияние смеще­ ние визирной оси за счет гнутия трубы и нестабильности положения оптических элементов. Это особенно относится к трубам крупных астро­ номических приборов и системам объектив — камера кинотеодолитов и регистрирующих установок. Такие трубы и объективы специально исследуются как при разработке и изготовлении опытных образцов, так и при серийном изготовлении. При их конструировании принимаются специальные меры по обеспечению стабильности положения элементов, особенно при перепадах температуры.

§ 14. Ошибка наклона горизонтальной оси вращения трубы Горизонтальная ось вращения трубы должна занимать в момент измере­ ний горизонтальное положение. Наклон по отношению к горизонтальной плоскости на угол / приводит к ошибкам в измеренных направлениях:

горизонтальный круг (0=/tga;

(3.5) вертикальный круг (/)'= - Й - t g a. (3.6) Ошибку наклона горизонтальной оси обычно отождествляют с ошиб­ кой неперпендикулярности горизонтальной и вертикальной осей, что не совсем строго, так к а к неперпендикулярность осей — не единственная причина, приводящая к наклону горизонтальной оси. Именно поэтому влияние наклона горизонтальной оси на горизонтальное направление нельзя методически полностью исключить измерениями при двух поло­ жениях круга.

При рассмотрении классификации ошибок осевых систем было указано, что ошибка наклона горизонтальной оси обусловлена тремя составляющими: 1) колебания наклона собственно горизонтальной оси из-за ошибок изготовления ее элементов;

2) неперпендикулярность го­ ризонтальной и вертикальной осей (неравенство подставок цапф);

3) наклон горизонтальной оси из-за наклона вертикальной оси.

Из этих трех составляющих знакопеременной при двух положениях круга является лишь вторая и, следовательно, лишь влияние наклона, вызванное неперпендикуляриостыо горизонтальной и вертикальной осей, может быть устранено измерениями горизонтального направления при двух положениях круга. Д л я большинства геодезических измерений, когда углы места а невелики, видимо, это оказывалось достаточным.

Однако при астрономических измерениях тщательно исследуются ошибки цапф, в кинотеодолитах — подшипники горизонтальной оси, к изготовлению которых предъявляются требования на грани техниче­ ских возможностей. А именно погрешности изготовления этих элемен­ тов приводят к случайным колебаниям наклона собственно горизонталь­ ной оси по отношению к оси вертикальной. В астрономических прибо­ рах эту составляющую наклона горизонтальной оси, к а к, впрочем, и все другие, определяют по отсчетам накладного уровня и вводят соответ­ ствующие поправки в результаты измерений по формулам (3.5) и (3.6).

То же самое можно сказать и об ошибке наклона горизонтальной оси, вызванной наклоном вертикальной оси прибора. Эта часть ошибки также не является знакопеременной при двух положениях круга, но в отличие от первой ее величина может быть существенной. Поэтому установка вертикальной оси в отвесное положение должна быть тщатель­ ной, а качество вертикальной оси достаточно высоким. При сравнитель­ но небольших углах места а в обычных геодезических измерениях не испытывают необходимости принятия дополнительных мер. Но в аст­ рономических измерениях отсчеты по накладному уровню и введение поправок за наклон горизонтальной оси являются обязательной частью программы наблюдений. Принимаются соответствующие меры по умень­ шению влияния этой ошибки и при измерениях высокоточными кино­ теодолитами.

§ 15. Ошибка наклона вертикальной оси прибора Во многих источниках [6, 15] ошибку наклона вертикальной оси угло­ мерного прибора не относят к инструментальным, считая, что она проис­ ходит лишь из-за ошибок установки вертикальной оси в отвесное поло жение по уровню. Однако при вращении прибора вокруг вертикальной оси по азимуту к систематической ошибке установки вертикальной оси в отвесное положение по уровню неизбежно добавляется случайная ошибка наклона вертикальной оси из-за ошибок изготовления собствен­ но вертикальной оси. Не случайно к точности изготовления вертикаль­ ных осей теодолитов и других угломерных приборов предъявляются весьма высокие требования. Изменение наклона вертикальной оси вы­ сокоточных теодолитов при повороте алидады на 360° не превышает, как правило, 1 " - 3".

Наклон вертикальной оси приводит к наклону горизонтальной оси, и это вызывает основную составляющую ошибки в измерении горизон­ тального направления. Наклон вертикальной оси на угол v вызывает ошибку в измерении направлений (за счет наклона горизонтальной оси) горизонтального (v) = v sin А г tga, (3.7) вертикального 2 (v)' = - у ^ sin А г tga sin а. (3.8) Кроме того, наклон собственно вертикальной оси вносит ошибку в из­ мерение вертикального угла (v)' = vcosA. (3.9) t В этих выражениях угол А - угол, составленный направлением плоско­ х сти наклона вертикальной оси по отношению к плоскости измерений (плоскости визирной оси). Так, при А = 0 и А = 180° вертикальная х х ось наклонена в плоскости измерений, следовательно, горизонтальная ось не получила наклона и ошибки за счет наклона горизонтальной оси по формулам (3.7) и (3.8) равны нулю. Но ошибка в вертикальном угле, вычисленная по формуле (3.9), в этом случае будет максимальна и равна величине наклона вертикальной оси. Следует подчеркнуть, что именно эта ошибка является максимальной ошибкой, которая вносится в вертикальный угол за счет ошибок осевых систем.

Тем не менее в геодезической литературе эта ошибка в большин­ стве случаев не рассматривается совсем. Это объясняется тем, что в гео­ дезических приборах на алидаде вертикального круга имеется уровень, установкой которого на нуль компенсируется ошибка наклона верти­ кальной оси. Эта ошибка поэтому не оказывает влияния на измерение вертикального угла даже при измерении зенитных расстояний астроно­ мическими приборами. Однако в приборах, где невозможно применить уровень на вертикальном круге, например в кинотеодолитах, ошибку вертикального угла за счет наклона вертикальной оси необходимо учитывать.

§ 16. Ошибка отклонения плоскости лимба от теоретического положения Согласно теории измерения угла плоскости горизонтального и верти­ кального лимбов должны быть перпендикулярны к соответствующим осям их вращения. При теоретически правильном положении осей плос­ кость горизонтального лимба будет занимать горизонтальное положение, а плоскость вертикального лимба — вертикальное. Однако если даже допустить, что оси занимают теоретическое положение, плоскости лим­ бов могут занять наклонное положение. Это означает, что они не перпен­ дикулярны к своим осям вращения.

Если плоскость лимба наклонилась к оси его вращения по отноше­ нию к перпендикулярному положению на угол е, то максимальная (допустимая) величина этого наклона может быть найдена по форму­ ле [26] € 2 тах = ^)допР"- ( Чтобы величина ( 5 ) была пренебрегаем© малой, можно положить доп (б) = 0,2 т где т — ошибка отсчета по лимбу (предел разреше­ доП 0 ния системы отсчета), но не суммарная ошибка отсчетного устройства.

Тогда получим:

Величину т к а к показывает опыт, можно принять равной: 0,3ju - д л я ОУ микроскоп-микрометров и верньеров;

0,1 /х — для шкаловых микроско­ пов и оптических микрометров (// - цена деления шкалы микрометра или точность верньера).

Так, например, для лимба, отсчитываемого микроскоп-микромет­ ром с ценой деления /1 = 5", будем иметь т = 1,5" и по формуле (3.11) найдем е * 8'. доп Можно оперировать и суммарной средней квадратической ошиб­ кой отсчетного устройства (системы отсчета) т, которая составля­ с ет в среднем 1/3 средней квадратической ошибки измерения угла данным прибором. Ошибка системы отсчета т « 2 т.

с о Так, для теодолита Т2 тр = 2 " и, следовательно, m = 0,7", аCtQ т = 0,35". Допустимый наклон лимба получается е « 4 \ Такой 0 доп наклон лимба технологически выдержать легко, а в эксплуатации он весьма заметен по изменению резкости наблюдаемых штрихов лимба.

Глава МЕТОДИКА И ПОРЯДОК РАСЧЕТА ТОЧНОСТИ ПРИБОРА § 17. Виды расчетов на точносгь. Методы суммирования частичных ошибок Точность прибора характеризуется заданной в ТЗ суммарной ошибкой всего прибора или суммарными ошибками отдельных частей. Основ­ ной целью расчета прибора на точность является обеспечение заданной точности при оптимальных значениях параметров прибора, характерис­ тик его схем, допусков на детали и их сопряжения. Таким образом, расчет на точность является основой параметрического синтеза. Расчет на точность может оказаться необходимым и при структурном синтезе, особенно сложных систем, для полного обоснования выбранной струк­ туры механизма, устройства, прибора с точки зрения обеспечения задан­ ной точности. От рационального выбора посадок и допусков зависят себестоимость изготовления прибора, его надежность и долговечность в эксплуатации, степень взаимозаменяемости деталей и узлов.

Основными видами расчета приборов на точность являются проект­ ный расчет и проверочный расчет.

Проектный расчет является основным видом расчета на точность.

При проектном расчете точности на этапе эскизного проекта оценивают степень влияния на конечную точность отдельных частичных ошибок с целью рационального назначения их допустимых величин и выбора наивыгоднейших параметров конструкции при наиболее высоких харак­ теристиках ее технологичности и наилучшего выполнения требований Т З.

Выявляют основные ожидаемые источники ошибок, представляющие комплексные первичные ошибки, и для них определяют предельные допуски [29], которые сравнивают с уровнями точности (экономиче­ ский, производственный, технический), определяя коэффициенты влия­ ния. На этапах технического проекта и разработки рабочих чертежей производят полный анализ технологичности конструкции, расчет размер­ ных цепей и расчет допусков, определяют технологические первичные ошибки (размеров и сопряжений деталей и узлов) по заданным суммар­ ным ошибкам механизма, цепи, узла.

Проверочный расчет производят, когда требуется сравнить несколь­ ко вариантов конструкции, а также тогда, когда допуски на технологи­ ческие первичные ошибки уже назначены и необходимо проверить их соответствие заданной конечной точности механизма, сборочной едини­ цы или прибора. Расчет заключается в определении суммарной ошибки механизма по заданным допускам на первичные ошибки.

Методы суммирования частичных ошибок. При проектировании и расчете точности прибора, как было отмечено, необходимо рациональ­ но распределить суммарную ошибку на составляющие — частичные и комплексные ошибки структурных частей — и определить суммарную или комплексную ошибку по найденным частичным ошибкам.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.