УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОРСИОНЫХ ПОДВЕСОВ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИБОРОВ
DEVICE TO MAKING INSTRUMENT SENSITIVE ELEMENT TORSION SUSPENSIONS

Предлагаемое изобретение относится к технике производства плетеных изделий, главным образом предназначено для изготовления торсионных подвесов чувствительных элементов (ЧЭ) приборов и может найти применение в магнитометрии, сейсмологии, геодезии, метеорологии, электротехнике и др., т.е. использоваться для производства торсионов ЧЭ высокочувствительных магнитометров, акселерометров, сейсмометров, наклономеров, микробарографов, гальванометров, а также в датчиках охранной сигнализации.
Известна плетельная машина (заявка на изобретение РФ №93037810, МПК D04C 3/12, приоритет от 23.07.93, опубликована 20.03.96), которая может быть использована для изготовления шнуров, веревок и канатов широкого назначения из различных материалов. Плетельная машина содержит корпус, в верхней части которого смонтирована плетельная головка, которая образует со столом зону плетельного пространства. В плетельной головке установлены с возможностью вращательного движения кинематически связанные между собой полые шпиндели, в которых помещены трубчатые пряденаправители и укреплены крылатки с подвешенными на них коклюшками, под которыми на столе смонтирован датчик контроля обрыва прядей. В центре стола установлен калибр, задающий форму сечения готового изделия. На коклюшках имеются ползушки с противовесами и выступающими планками. Имеется сигнальное устройство, электрически связанное с датчиком контроля обрыва прядей. Машина оснащена воздухоотсосом и площадкой обслуживания.
Недостатками известного устройства является сложность в эксплуатации, обусловленная наличием большого числа крылатчатых шестерен. Кроме того, известное устройство позволяет плести изделие либо в виде круглого шнура, либо в виде плоской тесьмы и не дает возможности придать изделию иную форму (например, форму «косички»). Более того, известная плетельная машина не приспособлена для получения продукции диаметром менее 0,5 мм.
Известно устройство для плетения фитиля (патент на полезную модель РФ №47903, МПК D04C 3/12, приоритет 05.04.2005 г., опубликован 10.09.2005 г.), содержащее корпус, в верхней части которого смонтирован механизм плетения, выполненный в виде плетельной головки, которая образует со столом зону плетельного пространства, в плетельной головке установлены с возможностью вращательного движения хотя бы два кинематически связанных между собой полых шпинделя (представляют собой механизм подачи), в которых помещены хотя бы два трубчатых пряденаправителя и укреплены хотя бы две рядом стоящих крылатки с подвешенными на них хотя бы тремя коклюшками. Устройство дополнительно содержит ручной и электрический приводы с зубчатыми шестернями, узлы передачи движения от привода к шестерням, механизм сбора, выполненный в виде вытяжных роликов, и хотя бы два ограничителя. Ограничители выполнены с возможностью обеспечения движения пряденаправителей по заданной траектории. Траектория движения пряденаправителей представляет собой замкнутую линию в виде цифры восемь. Устройство позволяет изготавливать фитиль путем плетения «косички» из хлопчато-бумажной нити диаметром 0,5-1,5 мм.
Недостатком известного устройства является невозможность использовать при плетении три пряди (из одной или нескольких нитей) диаметром 0,01-0,5 мм и получать продукцию диаметром 0,03-1,5 мм.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для изготовления спирально-анизотропных торсионов (нитей) UISAT-1 (Kopytenko Yu., Sergushin P., Petrishchev M., Levanenko V., Perechesova A. The device for manufacturing torsion bars with helical anisotropy UISAT-1 // Key Engineering Materials Vol. 437 (2010). - Trans Tech Publications, Switzerland, 2010. P. 625-628). Известное устройство представляет собой закрепленные на едином основании (столе) и соединенные с приводом механизмы подачи, плетения и сбора продукции. При этом механизм плетения выполнен в виде двух дисков, способных вращаться во взаимно встречном направлении и снабженных каждый тремя пазами для размещения прядей. Между осями дисков расположен переключатель в виде стрелки, соединенный коромысловым механизмом с приводом и обладающий возможностью совершать возвратно-вращательное движение синхронно (согласованно) с вращением дисков и перемещать пряди из одних пазов в другие. Над дисками закреплена направляющая с отверстием, стягивающим пряди, имеющая возможность передвижения по высоте.
Механизм подачи реализован в виде грузов, закрепленных на концах сплетаемых прядей и обеспечивающих постоянное натяжение в процессе плетения. Механизм сбора выполнен в виде захвата, фиксирующего начала прядей, жестко закрепленного на гайке с возможностью с помощью винта вертикального перемещения вдоль оси винта относительно механизма плетения.
Известное устройство позволяет изготавливать путем плетения из трех прядей «косичку» диаметром 0,03-1,5 мм, используемую для торсионных подвесов чувствительных элементов приборов с заранее заданными характеристиками (материалом, толщиной, структурой, плотностью плетения, модулем кручения, прочностью и др.). Торсионные подвесы с заданными характеристиками обладают свойствами упругой анизотропии. В свою очередь, использование таких торсионных подвесов при изготовлении ЧЭ приборов позволяет:
- снизить модуль кручения (повысить чувствительность);
- повысить устойчивость к изменению климатических факторов, повысить временную стабильность (уменьшить температурный дрейф нуля);
- повысить устойчивость к динамическим нагрузкам.
Факторы, влияющие на характеристики продукта в процессе плетения: толщина, структура, предварительная закрутка и материал, сплетаемых прядей, скорость подачи и натяжение прядей, а также угол плетения и связанная с ним плотность плетения.
Специфика и уникальность данного устройства в том, что в качестве сырья для плетения используется специально подготовленный особый материал - филаменты синтетических высокомодульных нитей (относятся к классу параарамидных волокон). Диаметр 0,01 мм, длина 400 мм.
Однако устройство обладает следующими недостатками: нестабильность работы, обусловленная несогласованностью движений механизма плетения, связанная с формой переключателя, влияет на равномерность плетения; некоторая сложность в эксплуатации и настройке, недостаточно высокое быстродействие (составляющее не более 100 мм/час), связанное с конструктивными особенностями, заданными при проектировании устройства. Направляющая с отверстием, стягивающим пряди, имеет два возможных положения (по высоте) - этого недостаточно для регулирования плотности плетения. Перечисленные факторы влияют на качество торсионного подвеса, удобство эксплуатации/обслуживания, сложность в настройке и быстродействие устройства для изготовления спирально-анизотропных торсионов.
Решаемая авторами техническая задача - разработка простого и удобного в эксплуатации устройства для изготовления торсионных подвесов при повышении быстродействия и без снижения требований к их техническим характеристикам.
Для решения технической задачи в устройство, содержащее закрепленные на едином основании соединенные механическими редукторами с приводом механизмы подачи, плетения и сбора продукции, вносят следующие изменения и дополнения.
Механизм плетения выполнен в виде двух дисков, способных вращаться в горизонтальной плоскости во взаимно встречном направлении, и снабженных каждый тремя пазами для размещения прядей. Над дисками расположена с возможностью перемещения по высоте направляющая с отверстием, стягивающим пряди. Между осями дисков расположен переключатель, соединенный коромысловым механизмом с приводом. Переключатель обладает возможностью возвратно-вращательного движения синхронно с вращением дисков, перемещая при этом сплетаемые пряди в пазах. В заявляемом изобретении предлагается оптимизированная форма рабочей поверхности (рабочего профиля, конструктивного профиля) переключателя, полученная «геометрическим» способом построения профилей кулачковых механизмов, к которым может быть отнесен переключатель. Опираясь на теорию машин и механизмов, а именно область анализа и проектирования кулачковых механизмов, была решена задача синтеза кулачкового механизма при условии, что задан теоретический (центровой) профиль, который в системе координат кулачка описывает центр сечения рабочего профиля пряди при движении ее по конструктивному профилю кулачка. Под конструктивным понимается наружный рабочий профиль кулачка. Оптимальная траектория движения прядей задана, то есть определяется конструкцией. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что конфигурация (форма) рабочей поверхности переключателя связана с определением оптимальной траектории движения прядей при плетении, что, в свою очередь, связано с задаваемыми характеристиками - структура косы. Заданная траектория движения прядей представляет собой замкнутую линию в виде цифры восемь, размерные характеристики которой определяются конструкцией. Полученная описанным способом оптимальная конфигурация рабочей поверхности переключателя оказалась трудноописываемой геометрическими терминами, но удачной не только для изготовления, а и для дальнейшей эксплуатации. Как показали эксперименты, выбранная форма рабочей поверхности переключателя не только обеспечила стабильность работы устройства в целом, но и совместно с другими элементами (в том числе новыми) позволила осуществить регулировку плотности плетения.
Механизм подачи выполнен в виде грузов, закрепленных на концах прядей.
Механизм сбора продукции представляет собой захват, фиксирующий начала прядей и обладающий способностью вертикального перемещения относительно механизма плетения. В механизме сбора продукции в предлагаемом решении на оси винта, приводящего в движение гайку (на которой жестко закреплен захват, фиксирующий начала прядей), располагают вариатор, позволяющий изменять скорость перемещения захвата относительно механизма плетения. Кроме того, механизм сбора продукции оснащен реверсом (переключателем направления перемещения), осуществляющим переключение перемещения гайки и используемым для возврата механизма сбора в исходное (начальное) положение.
Предлагаемые изменения конструкции: изменение формы рабочей поверхности переключателя, введение вариатора и реверса в механизм сбора продукции, влияют на достижение ожидаемого результата.
Изменение формы рабочей поверхности основного элемента плетения переключателя позволяет избежать проблем, связанных с нестабильностью работы механизма плетения, обусловленных несогласованностью движений элементов механизма плетения, что влияет на равномерность плетения. А значит, обеспечивает получение задаваемых технических характеристик изготавливаемого торсионного подвеса.
Введение вариатора в конструкцию устройства дает возможность регулировки плотности плетения, недостижимой в прототипе, что в свою очередь упрощает настройку устройства и позволяет повысить качество торсионного подвеса, а также повысить быстродействие в процессе плетения и в режиме реверса.
Таким образом, изменение конфигурации формы рабочей поверхности переключателя, введение вариатора и реверса в механизм сбора готовой продукции и соответствующие изменения, внесенные в характеристики механических редукторов (изменение передаточных отношений шкивов), позволяют упростить эксплуатацию и обслуживание устройства за счет полуавтоматического ускоренного возврата механизма сбора в исходное (начальное) положение и повысить быстродействие устройства в целом без снижения требований к техническим характеристикам изготавливаемого торсионного подвеса.
Предлагаемое решение поясняется фиг.1, где приведена схема предлагаемого устройства и фиг.2, где представлен механизм плетения.
На фиг.1:
1 - привод (двигатель);
2 - первый механический редуктор;
3 - коромысловый механизм привода переключателя;
4 - узел плетения (механизм подачи, плетения и сбора продукции);
5 - второй механический редуктор;
6 - вариатор;
7 - реверс.
В узле плетения 4 механизм плетения представлен на фиг.2 следующими элементами:
8, 9 - диски, установленные в одной горизонтальной плоскости с возможностью вращения вокруг своих осей во взаимно встречном направлении;
10, 11, 12 - пазы на диске 8 для размещения сплетаемых прядей;
13, 14, 15 - пазы на диске 9 для размещения сплетаемых прядей;
16, 17, 18 - сплетаемые пряди;
19 - переключатель, расположенный между осями дисков 8 и 9, соединенный коромысловым механизмом с приводом и предназначенный для перемещения прядей 16, 17, 18;
20 - ось, передающая движение от коромыслового механизма переключателю (фиг.1);
21, 22 - валы, передающие движение от первого механического редуктора 2 дискам 8 и 9, соответственно.
Механизм подачи в узле плетения 4 представлен на фиг.1 в следующем виде:
23, 24, 25 - грузы, закрепленные на концах прядей и обеспечивающие постоянное натяжение в процессе плетения.
Механизм сбора в узле плетения 4 представлен на фиг.1 следующими элементами:
26 - захват, фиксирующий начала прядей и осуществляющий сбор готовой продукции по мере сплетения прядей;
27 - направляющая с отверстием, стягивающим пряди и установленная с возможностью перемещения по высоте.
28 - гайка, на которой жестко закреплен захват 26, способная с помощью винта вертикально перемещаться вдоль оси винта относительно механизма плетения;
29 - винт, приводящий в движение гайку 28;
30 - вал, передающий движение от вариатора 6 винту 29.
Вариатор 6 выполнен, например, в виде двух последовательно соединенных шкивов: ведущего трехступенчатого шкива, расположенного на выходном валу второго механического редуктора 5, и трехступенчатого шкива, установленного на оси винта 29, приводящего в движение гайку 28. Вариатор также может быть выполнен в виде практически любого переключателя скорости вращения, например, конусного, пластинчато-ременного и др.
Реверс 7 может быть выполнен, например, в виде механического редуктора, состоящего из двух последовательно соединенных шкивов: ведущего, расположенного на валу 22, и ведомого, расположенного на выходном валу второго механического редуктора 5. В режиме плетения шкивы реверса 7 не работают (приводной ремень (пассик) снят) - реверс 7 отключен.
Реверс также может быть выполнен в виде механического редуктора, состоящего из зубчатых колес, или практически любого реверсивного механизма.
Первый механический редуктор 2 может быть выполнен, например, в виде механического редуктора, состоящего из шкивов и зубчатых колес. От привода передается движение шкивам и зубчатым колесам. Зубчатые колеса, расположенные на валах 21 и 22, придают дискам 8 и 9 взаимно-встречное вращение. На выходном валу первого механического редуктора 2 установлено зубчатое колесо, приводящее в движение коромысловый механизм привода переключателя 3. Первый механический редуктор 2 также может быть выполнен в виде практически любого механизма, передающего и преобразующего крутящий момент, с несколькими механическими передачами.
Второй механический редуктор 5 может быть выполнен, например, в виде механического редуктора, состоящего из шкивов. Выходной вал первого механического редуктора 2 приводит в движение ведущий шкив второго механического редуктора 5, а прочие шкивы приводят в движение выходной вал второго механического редуктора 5, на котором расположен ведущий трехступенчатый шкив вариатора 6, передающий движение трехступенчатому шкиву, установленному на оси винта 29, приводящего в движение гайку 28. Второй механический редуктор 5 также может быть выполнен в виде практически любого механизма, передающего и преобразующего крутящий момент, с несколькими механическими передачами.
Принцип действия устройства состоит в следующем: осуществляют регулировку (настройку) в соответствии с заданными характеристиками торсионного подвеса. Путем изменения положения по высоте (два положения) направляющей 27 изменяют угол плетения, а посредством включения (в зависимости от решаемой задачи) одной из трех пар шкивов вариатора 6 регулируют скорость подъема захвата 26. При этом скорость перемещения захвата связана с задаваемыми характеристиками торсионного подвеса, а именно с плотностью плетения, которая влияет на модуль кручения и прочность. Далее захватом 26 фиксируют начала прядей 16, 17, 18, затем пряди пропускают через отверстие направляющей 27. Захват 26 закреплен на гайке 28, имеющей возможность вертикально поступательно перемещаться за счет винта 29, приводимого через вал 30 и вариатор 6 в движение вторым механическим редуктором 5, связанным с приводом 1 посредством первого механического редуктора 2. Три сплетаемые пряди 16, 17 и 18 распределяют в пазах двух горизонтальных дисков 8 и 9 (две пряди в пазах одного диска, одна - в пазе другого), к примеру, 10, 13, и 14. Обязательное условие размещения прядей состоит в том, что один из парных пазов должен быть свободен. Под парными пазами имеются в виду пазы, работающие одновременно во время перемещения пряди из паза одного диска в паз противоположного диска. Далее, осуществляя механизм подачи, концы прядей 16, 17 и 18 фиксируют грузами 23, 24 и 25. Выбор массы грузов осуществляют экспериментально, и обычно масса грузов составляет от 3 до 7 грамм в зависимости от требуемого натяжения прядей. Осуществляют включение. Привод 1 при помощи элементов первого механического редуктора 2 через валы 21 и 22 придает дискам 8 и 9 встречное вращение. Пряди 16, 17 и 18 перемещаются в свободные пазы противоположного диска при помощи переключателя 19, совершающего возвратно-вращательные движения относительно оси 20 согласованно с дисками 8 и 9 благодаря коромысловому механизму привода переключателя 3. Например, в выбранном случае прядь 17 из паза 13 диска 9 перемещается в паз 11 диска 8, прядь 16 из паза 10 диска 8 перемещается в паз 15 диска 9, прядь 18 из паза 14 диска 9 перемещается в паз 12 диска 8.
И этот процесс продолжают до верхнего (конечного) положения гайки 28.
После завершения плетения готовое изделие извлекают из устройства путем размыкания захвата и включают реверс 7 для возвращения механизма сбора в исходное положение (начальное). Включение реверса осуществляют следующим образом: отключают второй механический редуктор 5 (отключают шкив, работающий на выходном валу) и включают механический редуктор, осуществляющий реверс (к выходному валу второго механического редуктора 5 подключают шкив реверса). Ведущий шкив, установленный на валу 22 и приводимый в движение первым механическим редуктором 2, приводит в движение ведомый шкив, расположенный на выходном валу второго механического редуктора 5. Вал передает вращение ведущему трехступенчатому шкиву вариатора, также расположенному на выходном валу второго механического редуктора 5, далее ведомый трехступенчатый шкив вариатора 6 передает движение винту 29 (на оси которого установлен), приводящего в движение гайку 28, на которой расположен захват 26. Захват 26 возвращается в исходное (начальное) положение. В данном режиме устройство работает вхолостую, осуществляя возврат механизма сбора в исходное положение.
Заявленное устройство обладает возможностью задания требуемых характеристик упругого торсионного подвеса (плотности плетения, модуля кручения, прочности и др.). Изменение формы рабочей поверхности переключателя совместно с введение вариатора позволяют более надежно контролировать задаваемые технические характеристики, а вместе с использованием реверса обеспечивается простота и удобство в эксплуатации, а также повышение быстродействия устройства в целом.
На сегодняшний день упругие торсионные подвесы, изготовленные с помощью предлагаемого устройства, используются в магниточувствительных элементах (МЧЭ) магнитостатический вариометр (МСВ), входящего в состав экспериментального геофизического комплекса GI-MTS-1 (СПбФ ИЗМИРАН). Упругий торсионный подвес представляет собой «косичку» из трех прядей (по одной нити в каждой пряди) и служит для создания оси вращения индикаторного магнита. Плотность плетения - 7 узлов/мм. Огибающая поперечного сечения упругого торсионного подвеса представляет собой эллипс с большей осью 0,04 мм и меньшей осью 0,03 мм; общая длина подвеса - 100 мм. Разрывная нагрузка - 1,5 Н. Производительность устройства составляет 2×100 мм/час (с учетом подготовительных операций), что в два раза превышает быстродействие, характерное для прототипа.
<mrow><mn>1</mn><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mrow><mi>n</mi><mi>T</mi><mi>л</mi></mrow><mo>/</mo><mrow><msqrt><mrow><mi>Г</mi><mi>ц</mi></mrow></msqrt></mrow></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
Главным достоинством МСВ с таким МЧЭ является регистрация магнитных полей и их вариаций в диапазоне частот 0…15 Гц со среднеквадратичным уровнем шумов не превышающим
, при этом приборы благодаря используемым торсионным подвесам малочувствительны к изменению климатических факторов и обладают повышенной устойчивостью к динамическим нагрузкам при транспортировке (более 15 g).
Изготавливаемые упругие торсионные подвесы могут иметь широкий спектр применения при изготовлении ЧЭ: в магнитометрах, акселерометрах, наклономерах, микробарографах, сейсмоприемниках, которые используются при контроле изменений физических величин (соответственно): параметров магнитных полей, ускорений, угловых перемещений, давления, сейсмических колебаний и др. Использование свойств упругой анизотропии при изготовлении подвесов ЧЭ торсионных приборов предполагает усовершенствование этих приборов (повышение чувствительности, термостабильности и устойчивости к динамическим нагрузкам).
Предлагаемое устройство для изготовления торсионных подвесов чувствительных элементов приборов компактное, переносное, простое в использовании, с электрическим приводом. Обладает следующими массогабаритными характеристиками: вес - 5 кг, размеры (Д×В×Щ) -345×650×360 мм.