Измеритель выходных характеристик спиральных пружин
METER OF OUTPUT CHARACTERISTICS OF SPIRAL SPRINGS

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для автоматизированного определения величины момента, создаваемого плоской спиральной пружиной или торсионом с неограниченным углом закрутки, плоской пружиной, работающей на изгиб или кручение, селективного подбора близких по характеристикам пружин с заданной точностью, контроля качества этапов технологического процесса их изготовления.
Известно устройство контроля крутящих моментов спиральных пружин согласно а.с. СССР №1081446, G01L 3/10, опубл. 23.03.1984 г., бюллетень №11, содержащее основание, гнездо, закручивающий шпиндель с жестко закрепленным на нем контрольным рычагом, датчик и электромеханический привод, связанный с закручивающим шпинделем.
Устройство для измерения момента спиральных пружин согласно а.с. СССР №777504, G01L 3/10, опубл. 07.11.1980 г., бюллетень №41 содержит подвижную часть, установленную в корпусе с помощью растяжек, датчик углового положения подвижной части, усилитель, моментный датчик в виде постоянного магнита, закрепленного на подвижной части, и неподвижных катушек и компенсатор жесткости растяжек.
Полуавтомат для проверки крутящих моментов спиральных пружин согласно а.с. СССР №433367, G01L 3/10, опубл. 25.06.1974 г., бюллетень №23 содержит гильзу, свободно посаженную на закручивающий шпиндель, несущий на себе поводок с собачкой, сцепляющейся с храповым колесом шпинделя, и двумя упорными кулачками, определяющими поочередно величину углового спуска проверяемой пружины, механически взаимодействующими с жесткими откидными упорами, два электромагнитных датчика, два грузовых рычага.
Стенд контроля выходных характеристик спиральных пружин согласно а.с. СССР №1732196, G01L 3/10, опубл. 07.05.1992 г., бюллетень №17 содержит датчик угла, счетчик импульсов, блок управления, привод, компаратор, интегратор, аналого-запоминающий блок, блок управления током, аналого-цифровой преобразователь, дешифратор, мультиплексор, блок запуска, блок задержки, привод, источник света, фотоприемник, диск с отверстием, датчик угла, опоры, электромагнитную рамку, входной вал, выходной вал, регистратор.
Автоматизированный стенд контроля выходных характеристик спиральных пружин согласно патенту на изобретение №2526553, опубл. 27.08.2014 г., бюл. №24, который содержит выходной вал стенда, соединенный с зажимом внутреннего конца испытуемой пружины, зажим наружного конца испытуемой пружины, связанный с входным валом стенда, соединенным через редуктор с электродвигателем, оптическую систему, электромеханическую систему уравновешивания коромыслом с помощью электромагнитов и регистратор.
К недостаткам этих устройств следует отнести наличие погрешностей механизмов задания и отсчета моментов закручивания пружин за счет трения между подвижными элементами конструкции.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению, взятым за прототип, является автоматизированный измеритель выходных характеристик спиральных пружин согласно патенту на изобретение №2586411, опубл. 10.06.2016 г., бюллетень №16, который содержит электронный блок измерения, включающий аналого-цифровой преобразователь, информационный выход которого соединен с входом регистратора, а запускающий выход с запускающим входом регистратора, компаратор, вход которого подключен к фотоприемнику, а выход подключен к управляющему входу аналого-запоминающего блока и входу ключа, выход которого соединен со входом интегратора, выход которого связан со входом аналого-запоминающего блока, выход которого соединен с входом блока управления током, информационный выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, а выходы управления током соединены с входами измерительного блока, модуль закрепления испытуемой пружины, который содержит опорный диск, закрепленный по оси симметрии к внутреннему торцу входного вала измерительного блока и соединенный с опорной пластиной, а через фрикционную прокладку стянут зажимным винтом фрикциона с подвижным диском, который снабжен подвижной пластиной корректирующего винта с корректирующим винтом, связанным с опорной пластиной, и на котором установлены эксцентрично перпендикулярно два зажимных элемента наружного конца пружины вдоль радиуса и перпендикулярно им две стойки оси кулачка зажимных элементов наружного конца испытуемой пружины симметрично относительно кулачка зажимных элементов наружного конца пружины на расстоянии от оси вращения подвижного диска, равном радиусу наружного конца исследуемой пружины, через которые ортогонально проходит ось кулачка зажимных элементов наружного конца пружины, на которой расположен кулачок зажимных элементов наружного конца пружины с возможностью касания зажимных элементов наружного конца пружины для их симметричного разжима - зажима, за счет поворота рукоятки оси кулачка зажимных элементов наружного конца пружины, а зажим внутреннего конца испытуемой пружины содержит зажимные элементы внутреннего конца пружины, закрепленные к коромыслу симметрично и соосно выходному валу, на котором закреплена фиксируемая втулка, соединенная ортогонально с осью балансировочного груза, на которой установлен подвижный балансировочный груз, при этом подвижный стол установлен на колонках и связан с первыми концами пружин возврата, а вторые их концы подсоединены вместе с упорами и колонками подвижного стола на неподвижной опоре, а малый и большой кулачки закреплены на оси малого и большого кулачков и ориентированы друг относительно друга с возможностью касания, для их симметричного разжима - зажима зажимных элементов внутреннего конца пружины малым кулачком и для подъема - опускания подвижного стола со стороны упоров большим кулачком за счет поворота рукоятки оси малого и большого кулачков, балансировочный груз, фотоприемник, связанный с источником света через зеркало оптической системы, шаговый двигатель, выходной вал которого соединен с входным валом измерительного блока, который установлен на опоре, модуль управления шаговым двигателем, электромагниты с сердечниками, расположенными симметрично и перевернуто на концах коромысла, причем тяговые обмотки второго и первого электромагнитов соединены последовательно, в центре симметрии которого установлено зеркало оптической системы, модуль управления процессом контроля, входная шина которого соединена с выходной шиной регистратора, выход которого подключен к первому входу модуля управления процессом контроля, второй вход связан с выходом компаратора, а первый выход подключен к управляющему входу ключа, второй выход подключен к установочному входу интегратора, третий выход соединен с установочным входом аналого-запоминающего блока, четвертый выход подключен к запускающему входу аналого-цифрового преобразователя, а выходная шина связана с входной шиной модуля управления шаговым двигателем, выходная шина которого соединена с входной шиной шагового двигателя.
К недостаткам прототипа следует отнести недостаточную точность измерения за счет увеличенного трения в опорах выходного вала, отсутствие установки горизонтальности положения коромысла, что снижает точность измерения момента, и нелинейность выходной характеристики измерителя, так как электромагнитный преобразователь, представляющий собой электромагниты с сердечником, изготавливается обязательно из магнитотвердого материала и притяжение сердечника к магнитопроводу для уравновешивания момента закручивания пружины осуществляется на переменном токе.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности измерения путем уменьшения трения в опорах выходного вала за счет введения вибрационных колебаний в зону контакта выходного вала с опорами, установкой горизонтального положения платформы и коромысла за счет введения уровня и регулируемых опор гашения вибрации, путем уменьшения нелинейности выходной характеристики измерителя за счет использования магнитоэлектрических преобразователей.
Технический результат достигается тем, что в измерителе выходных характеристик спиральных пружин, содержащем электронный блок измерения, первая выходная шина которого подсоединена к входной шине регистратора, выходная шина которого соединена с входной шиной электронного блока измерения, вторая выходная шина которого подключена к входной шине модуля управления шаговым двигателем, выходная шина которого соединена с входной шиной шагового двигателя, механический выход которого соединен с механическим входом модуля закрепления испытуемой пружины, механические выходы которого связаны и закреплены к плечам коромысла симметрично и соосно выходному валу, установленному на опорах выходного вала в горизонтальной плоскости, и на котором закреплена фиксируемая втулка, соединенная ортогонально с осью балансировочного груза, на которой установлен подвижный балансировочный груз, а в центре симметрии коромысла закреплено зеркало оптической системы, включающей также точечный источник света, вход которого подключен к первому выходу электронного блока измерения, и фотоприемник, подключенный к его первому входу, второй выход электронного блока измерения подключен к входу регистратора, выход которого подключен ко второму входу электронного блока измерения, упоры плеч коромысла, которые имеют возможность касания к коромыслу, новым является то, что в него введены магнитоэлектрические преобразователи, установленные симметрично и перевернуто ортогонально на концах плеч коромысла, каждый из которых содержит катушку и установленный соосно постоянный магнит, при этом обмотки катушек подсоединены последовательно к третьему и четвертому выходу электронного блока измерения, а магнитные полюса каждого из постоянных магнитов и катушек ориентированы друг относительно друга таким образом, что взаимодействия магнитных полей создают моменты, направленные на уравновешивание момента коромысла, создаваемого испытуемой пружиной, а выходной вал с опорами выходного вала закреплены на платформе, на которой установлены также уровень в горизонтальной плоскости платформы, шаговый двигатель, модуль закрепления исследуемой пружины, ортогонально упоры плеч коромысла, при этом платформа установлена на регулируемых по высоте опорах гашения вибраций, источник механических вибраций, вход которого подключен к выходу блока управления параметрами вибраций.
В измерителе выходных характеристик спиральных пружин в качестве источника механических вибраций применяется электромагнитный вибратор.
В измерителе выходных характеристик спиральных пружин регулируемые опоры гашения вибраций выполнены из резины.
В измерителе выходных характеристик спиральных пружин в качестве блока управления параметрами вибраций установлен звуковой генератор.
В измерителе выходных характеристик спиральных пружин платформа и опоры выходного вала изготовлены из вибропроводящего материала.
В измерителе выходных характеристик спиральных пружин магнитоэлектрические преобразователи могут быть установлены в одной плоскости коромысла, при этом могут иметь разнонаправленные магнитные полюса.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где приведена структурно-функциональная схема измерителя выходных характеристики спиральных пружин.
Здесь:
1 - электронный блок измерения;
2 - модуль управления шаговым двигателем;
3 - шаговый двигатель;
4 - модуль закрепления испытуемой пружины;
5 - коромысло;
6 - упор плеча коромысла;
7 - катушка;
8 - постоянный магнит;
9 - точечный источник света;
10 - ось балансировочного груза;
11 - подвижный балансировочный груз;
12 - зеркало оптической системы;
13 - фиксируемая втулка;
14 - выходной вал;
15 - фотоприемник;
16 - опора выходного вала;
17 - платформа;
18 - регулируемая опора гашения вибраций;
19 - источник механических вибраций;
20 - блок управления параметрами вибраций;
21 - регистратор;
22 - уровень.
Измеритель выходных характеристик спиральных пружин, содержит электронный блок измерения 1, первая выходная шина которого подсоединена к входной шине регистратора 21, выходная шина которого соединена с входной шиной электронного блока измерения 1, вторая выходная шина которого подключена к входной шине модуля 2 управления шаговым двигателем 3, выходная шина которого соединена с входной шиной шагового двигателя 3, механический выход которого соединен с механическим входом модуля 4 закрепления испытуемой пружины, механические выходы которого связаны и закреплены к плечам коромысла 5 симметрично и соосно выходному валу 14, установленному на опорах 16 выходного вала в горизонтальной плоскости, и на котором закреплена фиксируемая втулка 13, соединенная ортогонально с осью 10 балансировочного груза 11, на которой установлен подвижный балансировочный груз 11, а в центре симметрии коромысла 5 закреплено зеркало 12 оптической системы, включающей также точечный источник 9 света, вход которого подключен к первому выходу электронного блока 1 измерения, и фотоприемник 15, подключенный к его первому входу, второй выход электронного блока 1 измерения подключен к входу регистратора 21, выход которого подключен ко второму входу электронного блока 1 измерения, упоры 6 плеч коромысла, которые имеют возможность касания к коромыслу 5, магнитоэлектрические преобразователи, установленные симметрично и перевернуто ортогонально на концах плеч коромысла 5, каждый из которых содержит катушку 7 и установленный соосно постоянный магнит 8, при этом обмотки катушек 7 подсоединены последовательно к третьему и четвертому выходу электронного блока 1 измерения, а магнитные полюса каждого из постоянных магнитов 8 и катушек 7 ориентированы друг относительно друга таким образом, что взаимодействия магнитных полей создают моменты, направленные на уравновешивание момента коромысла 5, создаваемого испытуемой пружиной, а выходной вал 14 с опорами 16 выходного вала закреплены на платформе 17, на которой установлены также уровень 22 в горизонтальной плоскости платформы 17, шаговый двигатель 3, модуль закрепления исследуемой пружины 4, ортогонально упоры 6 плеч коромысла, при этом платформа 17 установлена на регулируемых по высоте опорах 18 гашения вибраций, источник 19 механических вибраций, вход которого подключен к выходу блока 20 управления параметрами вибраций.
В измерителе выходных характеристик спиральных пружин в качестве источника 19 механических вибраций применяется электромагнитный вибратор.
В измерителе выходных характеристик спиральных пружин регулируемые опоры 18 гашения вибраций выполнены из резины.
В измерителе выходных характеристик спиральных пружин в качестве блока 20 управления параметрами вибраций установлен звуковой генератор.
В измерителе выходных характеристик спиральных пружин платформа 17 и опоры 16 выходного вала изготовлены из вибропроводящего материала.
В измерителе выходных характеристик спиральных пружин магнитоэлектрические преобразователи могут быть установлены в одной плоскости коромысла 5, при этом могут иметь разнонаправленные магнитные полюса.
Измеритель выходных характеристик спиральных пружин работает следующим образом. Перед включением процесса измерения производится регулировка высоты опор 18 гашения вибраций по уровню 22 для установки горизонтальности положения платформы 17 и соответственно коромысла 5, затем включаем источник 19 механических вибраций и устанавливаем его оптимальный режим, не влияющий на процесс измерения, путем регулировки частоты и ускорения вибраций в блоке 20 управления параметрами вибраций, механические вибрации передаются по платформе 17 к опорам 16 выходного вала и создают его микроподбрасывание, значительно уменьшая трение между ними.
Затем производится балансировка коромысла 5 путем поворота оси 10 балансировочного груза вокруг выходного вала 14 и передвижения подвижного балансировочного груза 11 вдоль оси 10, ориентируясь на срабатывание индикации в электронном блоке 1 измерения при засветке фотоприемника 15 через зеркало 12 оптической системы точечным источником 9 света.
Далее устанавливаем испытуемую пружину в модуль 4 закрепления пружины. После этого в регистратор 21 вводим номер испытуемой пружины, диапазон измерения, количество контролируемых точек характеристики испытуемой пружины. Затем по команде оператора запускается процесс контроля, при этом на выходе регистратора 21 появляется сигнал запуска измерения, который подается на второй вход электронного блока 1 измерения, а через его вторую выходную шину по программе, заложенной в регистраторе 21, осуществляется процесс контроля характеристики испытуемой пружины и управление движением шагового двигателя 3, который закручивает испытуемую пружину на заданный программой угол по точкам измерения характеристики до значения угла соответствующему диапазону измерения, а получаемый при этом момент закручивания передается от испытуемой пружины с выхода модуля 4 закрепления испытуемой пружины на плечи коромысла 5, которое под его действием выходит из равновесия, а затем уравновешивается постоянным током от третьего и четверного выходов электронного блока 1 измерения при помощи взаимодействия магнитных полей постоянных магнитов 8 и катушек 7, при этом ток через обмотку катушки пропорционален измеряемому моменту испытуемой пружины, при уравновешивании происходит засветка фотоприемника 15 через зеркало 12 оптической системы от точечного источника 9 света, питаемого от первого выхода электронного блока 1 измерения в каждой точке измерения, сигнал с выхода фотоприемника 15 подается на первый вход электронного блока 1 измерения и осуществляется регистрация результатов измерений в регистраторе 21 через его входную шину при появлении на втором входе электронного блока 1 измерения импульса конца измерения. После окончания съема характеристики испытуемой пружины производится процесс реверсирования шагового двигателя 3 в исходное положение для раскрутки испытуемой пружины и устанавливается следующая испытываемая пружина. По результатам обработки заданного количества характеристик испытуемых пружин в регистраторе 21 включается программа обработки и отбора близких по характеристикам испытуемых пружин с заданной точностью подбора.
Все блоки и модули в измерителе реализуются на известных аналоговых и цифровых интегральных микросхемах и электромеханических элементах.
Таким образом, заявляемый измеритель выходных характеристик спиральных пружин позволяет повысить точность измерения путем уменьшения трения в опорах выходного вала за счет введения вибрационных колебаний в зону механического контакта выходного вала с опорами, установкой горизонтального положения платформы и коромысла за счет введения уровня и регулируемых опор гашения вибрации, путем уменьшения нелинейности выходной характеристики измерителя за счет введения магнитоэлектрических преобразователей в качестве уравновешивающих.