Исследование точности позиционирования объектов при оптической микроскопии с управлением через интернет

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ПРИ ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ С УПРАВЛЕНИЕМ ЧЕРЕЗ ИНТЕРНЕТ

В.И. Аверченков, В.В. Спасенников, Р.А. Филиппов

Аннотация

Рассмотрены вопросы аппаратной реализации АСНИ для микрогеометрического анализа на основе оптической микроскопии. Описаны приводы управления перемещениями узлов микроскопа и основные аппаратные решения, используемые при создании комплекса. Разработана методика оценки погрешности кинематической цепи привода перемещения предметного столика.

Ключевые слова: оптическая микроскопия, автоматизированная система научных исследований, программно-аппаратный комплекс, приводы управления, кинематическая погрешность цепи, точность позиционирования.

Вопросы автоматизации процесса проведения лабораторных исследований являются наиболее актуальными при использовании дорогостоящего уникального оборудования. Также актуальным является вопрос предоставления удаленного доступа к высокотехнологичному оборудованию. Такой доступ может быть осуществлен как посредством локальной вычислительной сети, так и через глобальную сеть Интернет. Для предоставления автоматизированного удаленного доступа, в том числе и через Интернет, к такому оборудованию необходимо создавать не только специализированное программное обеспечение, но и, что самое главное, механизмы управления автоматизируемыми узлами. При разработке программно-аппаратного комплекса управления удаленным оптическим микроскопом LEICA DMIRM возникла необходимость создания приводов управления перемещениями узлов микроскопа по осям X,Y,Z. Такими узлами являются узел смены объективов, фокусировочный механизм грубой и точной настройки микроскопа на резкость. Место приводов управления в лабораторном комплексе показано на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема локальной составляющей лабораторного комплекса

Рассмотрим подробнее механическую составляющую программно-аппаратного комплекса. Предлагается устройство управления предметным столиком и приводом настройки фокуса оптического микроскопа LEICA DM IRM, состоящее из шаговых двигателей и зубчатых передач.

Для удаленного управления процессом перемещения предметного столика в горизонтальной плоскости и в двух взаимно перпендикулярных направлениях по координатам X и У данное устройство подключают к элементам управления единой рукоятки (сдвоенной -- коаксиальной). Шаговый двигатель получает сигнал управления предметным столиком , который преобразуется в количество микрошагов, определяющее угол поворота вала двигателя. кинематический микроскопия погрешность привод

На рис. 2 показан общий вид приводов управления перемещением предметного столика микроскопа LEICA DM IRM.

Устройство управления предметным столиком оптического микроскопа LEICA DM IRM содержит шаговые двигатели. На валу шаговых двигателей устанавливают ведущие шестерни, которые входят в зубчатое зацепление с ведомыми шестернями, зафиксированными на осях. Оси крепятся гайками к плите. Ведомые шестерни также входят в зубчатое зацепление с шестернями, закрепленными на валу рукоятки. Вал рукоятки представляет собой двойной вал, состоящий из двух смонтированных друг в друге спиц, вращательные движения которых через червячную передачу передаются на предметный столик и позволяют перемещать его по осям Х и У [7]. Устройство управления крепится винтами (с центровкой) к предметному столику посредством крепежных планок. Шаговые двигатели крепятся к пластине винтами.

Рис.2. Приводы управления перемещением предметного столика: 1 - 3 - шестерни привода перемещения по оси Х;4 - 6 шестерни привода перемещения по оси У

При металлографическом исследовании поверхностей во многих случаях возникает проблема определения геометрических параметров исследуемых образцов. Частным случаем является проблема определения площадей раковин в чугунах и таких параметров, как длина, ширина. При задании перемещения в определенное положение возникает проблема оценки погрешности физического перемещения предметного столика с установленным на нем образцом. Эта погрешность состоит из следующих основных составляющих: погрешность пары «винт-гайка» микроскопа, погрешность кинематической цепи привода перемещения предметного столика, погрешность шагового двигателя.

Рассмотрим методику оценки указанных погрешностей. При исследовании различных образцов актуальной является задача оценки погрешностей перемещений разработанных узлов, поскольку вносимые в конструкцию изменения не были заложены в спецификации производителем и требуют дополнительных измерений.

Для определения погрешности перемещения предметного столики оптического микроскопа и угла вращения ручки фокусного расстояния необходимо использовать понятия абсолютной и относительной погрешностей.

Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины является погрешностью измерения. Абсолютная погрешность измерительного прибора - разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины: где - величина, измеренная прибором; - действительная величина[1;2]. Относительная погрешность измерительного прибора - отношение абсолютной погрешности прибора к действительному или измеренному значению величины, выраженное в процентах:

.

Также для сравнительной оценки точности измерительных устройств пользуются понятием приведенной погрешности прибора, под которым понимают отношение абсолютной погрешности прибора к нормирующему значению шкалы, выраженное в процентах:

.

Перейдем к оценке дополнительной погрешности кинематической цепи привода перемещения предметного столика.

Основными факторами, определяющими дополнительную погрешность кинематической цепи привода перемещения предметного столика по координатам X и Y, являются:

· погрешность шагового двигателя;

· погрешность кинематической цепи зубчатых передач.

Таким образом, оценив указанные погрешности, можно использовать результат для оценки результирующей погрешности перемещения координатного столика по осям X и Y.

Согласно ГОСТ 27471-87, используется понятие статической погрешности шагового электродвигателя. Это отклонение установившегося действительного значения шага шагового электродвигателя от идеального при подаче сигнала[4].

Определим погрешность кинематической цепи зубчатых передач.

При расчете допуска и погрешности зубчатого колеса устанавливается так называемая степень точности зубчатого колеса или передачи. Для высокоточных кинематических цепей механизмов приборов рекомендуется использовать зубчатые колеса повышенной точности, а именно 5-8 степени точности. Для каждой степени точности определяются нормы:

· кинематической точности;

· плавности работы;

· контакта зубьев зубчатых колес в передаче.

Для решаемой задачи актуальным является определение норм кинематической точности, в частности кинематической погрешности зубчатого колеса и зубчатой передачи.

Кинематическая точность зубчатого колеса - разность между действительным и номинальным (расчетным) углами поворота на рабочей оси зубчатого колеса, ведомого измерительным зубчатым колесом (при номинальном взаимном положении осей вращения этих колес) [5].

Для определения кинематической точности любого зубчатого колеса необходимо определять основные параметры: число зубьев z, диаметр делительной окружности d, модуль m, степень точности.

Затем определяется допуск на кинематическую погрешность зубчатого колеса:

,

где - допуск на накопленную погрешность зубчатого колеса; -допуск на погрешность профиля зуба. Данные параметры получаются путем выбора стандартных значений из таблиц на основании исходных данных.

Получив значения абсолютной погрешности, определяют относительную погрешность для каждого из зубчатых колес.

Следующей задачей является определение погрешности кинематической цепи зубчатых передач. Согласно ГОСТ 21098-82, кинематическая цепь - совокупность звеньев или механизмов, предназначенных для передачи движения [6]. Применительно к приводу перемещения предметного столика под кинематической цепью будем понимать совокупность зубчатых колес, обеспечивающих передачу движения от шагового двигателя к валу, которые конструктивно составляют целое непосредственно с предметным столиком.

Согласно ГОСТ 21098-82, кинематическая погрешность рассчитывается по методу максимума-минимума. При этом методе учитываются предельные отклонения погрешностей составляющих звеньев и их наихудшие для передачи сочетания.

Кинематическая погрешность цепи, состоящей из n ступеней, приведенной к выходному валу, рассчитывается по формуле

,

где - кинематическая погрешность j-й ступени с учетом фактического угла поворота ведомого колеса; _j - передаточный коэффициент j-й передачи.

Основные коэффициенты, учитывающиеся при расчете кинематической погрешности цепи:

· - коэффициент фазовой компенсации;

· - коэффициент, учитывающий угол поворота ведомого зубчатого колеса;

· t₁ - коэффициент, зависящий от процента риска;

· K_p- вероятностный коэффициент.

Кроме этого, при расчете учитываются следующие параметры:

· -допуск на кинематическую погрешность зубчатого колеса;

· - суммарная приведенная погрешность монтажа;

· - координата середины поля рассеяния кинематической погрешности зубчатой пары;

· - поле рассеяния кинематической погрешности зубчатой пары.

В общем виде методика расчета выглядит следующим образом.

Сначала рассчитывается кинематическая погрешность зубчатого механизма привода микроскопа, далее определяются геометрические размеры зубчатых колес, составляющих механизм. Затем в зависимости от типов зубчатых передач и степени точности по соответствующим стандартам составляется таблица первичных погрешностей, а также параметров и коэффициентов, учитываемых при расчете кинематической погрешности. После этого рассчитывается кинематическая погрешность заданной кинематической цепи.

При расчете кинематической погрешности зубчатых передач привода перемещения предметного столика микроскопа LEICA DMIRM были получены следующие значения: для цепи, состоящей из зубчатых колес 1-3, мкм; для цепи, состоящей из зубчатых колес 4-6, = 52 мкм.

Абсолютная и относительная кинематические погрешности кинематических цепей, состоящих из зубчатых передач, по осям Х и У равны: по оси Х - , ; по оси У - , .

Задача оценки погрешности перемещения предметного столика по осям Х, У производителем не решается. Это связано с тем, что управление перемещением предметного столика осуществляется вручную. При этом никаких приспособлений типа нониуса на рукоятке перемещения предметного столика не предусмотрено. Все измерения происходят визуально без соблюдения каких - либо требований к точности. В отличие от рукоятки управления предметным столиком на рукоятке фокуса присутствует разметка, проведя калибровку которой можно оценить погрешность перемещения тубусодержателя. Для определения погрешности перемещения предметного столика необходимо провести калибровку, которая позволит эмпирически определить зависимость перемещения предметного столика от угла поворота рукоятки управления [3].

Проанализировав все составляющие, выведем формулы для определения результирующей погрешности перемещений предметного столика по осям Х и У:

,

,

где - относительная погрешность работы шагового двигателя; - относительная кинематическая погрешность кинематической цепи, состоящей из зубчатых передач, по оси Х; - относительная кинематическая погрешность кинематической цепи, состоящей из зубчатых передач, по оси У; - относительная погрешность перемещения предметного столика от рукоятки управления по оси Х; - относительная погрешность перемещения предметного столика от рукоятки управления по оси У.

Определим минимальное перемещение по осям X,Y,Z:

,

где - число шагов двигателя на один оборот; - коэффициент дробления шага шагового двигателя (1/2,….); - передаточное отношение редуктора; - передаточное отношение механизма преобразования вращательного движения в поступательное.

Величина перемещения определяется количеством микрошагов, совершаемых двигателем при перемещении столика на 1 мм:

Исследовав методику конструирования и использования зубчатых кинематических цепей для создания автоматизированных систем управления научным оборудованием, можно сделать следующие выводы:

1. На ведущем валу необходимо устанавливать шестерню малого диаметра, а на ведомом валу - наибольшего диаметра. Это позволит за счет большего передаточного отношения минимизировать погрешность, вносимую шаговыми двигателями.

2. Для обеспечения плавности вращения целесообразно вводить промежуточное звено. Таким образом, минимальной является кинематическая цепь, состоящая из трех зубчатых колес.

3. Источником вращательных движений необходимо назначать шаговые двигатели, которые позволяют контролировать угол поворота и осуществлять вращательное движение с заданными точностью и углом поворота.

4. Приведенную погрешность монтажа можно уменьшить путем использования высокоточных подшипников.

Разработанные приводы позволяют организовать процесс автоматизации перемещения с управлением через локальные сети и Интернет.

Полученные формулы позволили рассчитать дополнительную погрешность привода перемещения предметного столика по осям X,Y и сделать вывод о незначительном влиянии вносимой погрешности на общую погрешность при перемещении в горизонтальной плоскости.

Список литературы

1. Байков, И.П. Расчет погрешностей технологических измерений и измерительных каналов информационно - измерительных систем: учеб. пособие. / И.П. Байков. - Кострома: КГТУ, 2007. - 71 с.

2. Новицкий, П. В. Оценка погрешностей результатов измерений / П.В. Новицкий, И.А. Зограф.- 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 304 с.

3. Аверченков, В.И. Анализ точности высотных измерений методом фокусировки объекта на базе оптического микроскопа LEICA DM IRM / В.И. Аверченков, Д.В. Чмыхов // Вестн. БГТУ. - 2008. - №1. - С. 34-38.

4. ГОСТ 27471-87. Машины электрические вращающиеся. Термины и определения.

5. ГОСТ 9178-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические мелкомодульные. Допуски.

6. ГОСТ 21098-82. Цепи кинематические. Методы расчета точности.

7. Пат. на полезную модель «Аппаратно-программный комплекс для управления удаленным оптическим микроскопом» / Аверченков А.В., Аверченков В.И., Филиппов Р.А., Чмыхов Д.В. - №110842 от 27.11.11.

Размещено на Allbest.ru