ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в точном машиностроении, приборостроении и других областях промышленности, использующих оптико-механические устройства для записи или считывания информации, при изготовлении шкал, лимбов, растров и других углоизмерительных структур.
Широко известны углоизмерительные устройства или устройства записи структур, в которых применяется динамический метод контроля или записи.
Известен, например, шпиндельный узел (см. Т. Masuda, M. Kajitani. An automatic calibration system for angular encoders. Precision Engineering, v. 11, No 2, 1989, p.95), содержащий соосно расположенные и жесткосоединенные между собой предметный столик, прецизионный шпиндель, двигатель вращения и угловой датчик, с n позиционно-считывающими головками, где n≥2, а также информационную считывающую головку, расположенную над предметным столиком, вертикальная ось которой параллельна оси шпинделя. Угловая точность такого шпинделя достаточно высока за счет использования принципа многоголовочного считывания данных с опорного растра, в котором установлено пять пар диаметрально расположенных головок считывания. При этом первая пара головок расположена на позициях 0°-180°, вторая - на позициях 90°-270°, третья - на позициях 45°-225°, четвертая - на позициях 22,5°-202,5° и, наконец, пятая пара - на позициях 11,25°-191,25°. В результате первая пара головок позволяет сформировать сетку угловых меток, в кривой погрешности относительного расположения меток убраны 1, 3, 5 и т.д. все нечетные гармоники, обусловленные действием погрешностей изготовления опорного растра и погрешностями, вносимые подшипниками шпинделя. Совместное использование первой и второй пары головок позволяет дополнительно подавить в кривой погрешности действие 2, 6, 10 и т.д. гармоник, образованных умножением 2 на все нечетные числа. Совместное использование первой, второй и третьей пар головок позволяет дополнительно подавить в кривой погрешности действие 4, 12, 20 и т.д. гармоник, образованных умножением 4 на все нечетные числа. По аналогии с предыдущим совместное использование первой, второй, третьей и четверной пар головок позволяет подавить в кривой погрешности действие еще 8, 24, 40 и т.д. гармоник, образованных умножением 8 на все нечетные числа. И, наконец, совместное использование первой, второй, третьей, четвертой и пятой пар головок позволяет подавить в кривой погрешности действие также 16, 48, 80 и т.д. гармоник, образованных умножением 16 на все нечетные числа. В результате совместного использования
n
пяти пар головок удается подавить действие всех (2-1) первых гармоник (где n - число пар считывающих головок) и большого числа последующих и создать сетку угловых меток, расположенных регулярно в пределах полного оборота с высокой точностью, порядка 0,01 угловой секунды.
Столь глубокое подавление вклада погрешности изготовления опорного растра и погрешности подшипников шпинделя особенно эффективно в случае контроля погрешности угловых датчиков в сборе, т.е. когда от углоизмерительной установки требуется только точное задание угла поворота. В случае контроля собранного датчика он имеет собственную подшипниковую систему, которая вместе с используемым растром, определяет погрешность преобразования угла поворота, которую и требуется определить. В этом случае задаваемый угол поворота передается на контролируемый датчик через специальную разделительную муфту, компенсирующую неточное совпадение осей ротора шпинделя и вала контролируемого датчика.
В рассматриваемых случаях, когда ставится задача измерения погрешности изготовления углового растра (ОБЪЕКТА), располагаемого, точно юстируемого и жестко фиксируемого на предметном столике шпиндельного узла, столь глубокая инвариантность собственного датчика от неизбежных произвольных изменений пространственного положения оси вращения ротора шпинделя оказывает отрицательное действие на процедуру контроля ОБЪЕКТА. Дело в том, что контролируемый растр, размещенный на предметном столике шпиндельного узла, кроме заданного поворота совершает в пространстве вместе с ротором шпинделя дополнительные линейные смещения относительно неподвижной информационной головки, считывающей данные с контролируемого растра. Если происходят дополнительные смещения растра, совершаемые вместе с предметным столиком, то сигналы, считанные информационной головкой воспринимаются как искажения, полученные, например, в процессе изготовления штрихов контролируемого растра.
Целью заявляемого технического решения является устранение погрешностей, связанных со смещением растра относительно неподвижной информационной головки.
Указанная цель в шпиндельном узле, содержащем соосно расположенные и жесткосоединенные между собой предметный столик, прецизионный шпиндель, двигатель вращения и угловой датчик, с n позиционно-считывающими головками, где n≥2, а также оптически связанную с ним информационную считывающую головку, расположенную над предметным столиком, вертикальная ось которой параллельна оси шпинделя, достигается тем, между предметным столиком и шпинделем размещен дополнительный угловой датчик с позиционно-считывающей головкой, вертикальная
ось которой лежит в диаметральной плоскости шпинделя, совпадающей с осью информационной считывающей головки.
На фиг.1 представлен заявляемый шпиндельный узел, включающий: ОБЪЕКТ (угловой растр, шкала или лимб), расположенный на предметном столике 1 строго соосно относительно оси ротора шпинделя 2, в котором предварительно также строго соосно выставлены и жестко соединены с ротором шпинделя двигатель вращения 3 и датчик углового положения 4, в котором с целью повышения точности измерений углового положения сформировано n позиционно-считывающих головок 5; дополнительный угловой датчик 6 с позиционно-считывающей головкой 7, вертикальная ось которой лежит в диаметральной плоскости шпинделя, совпадающей с осью информационной считывающей головки.
Устройство работает следующим образом.
Для выполнения процедуры измерения ротор шпинделя 2 с помощью двигателя вращения 3 раскручивается до определенной скорости, которую затем поддерживают неизменной с помощью специальной системы управления (на фиг.1 она не показана). Затем с помощью информационной головки считывания 8 формируют сигналы прохождения штрихов ОБЪЕКТА (контролируемого растра или лимба). Моменты появления сигналов с головки 8 сравнивают с сигналами от позиционно-считывающих головок 5 углового датчика 4. Разброс в моментах формирования сигналов от контролируемого ОБЪЕКТА относительно моментов появления сигналов углового датчика 4 углоизмерительной установки является мерой точности изготовления контролируемого ОБЪЕКТА. Наличие позиционно-считывающей головки 7 позволяет за счет сигнала считывания данных с собственного растра 6 устранить искажения, возникающие в головке 8, обусловленные случайными отклонениями оси ротора 2, т.к. сигнал считывания данных с растра 6 формируется головкой 7, размещенной точно в одной плоскости с головкой считывания 8. Это позволяет существенно снизить составляющие так называемой погрешности Аббе. Следует особо отметить, что первоначальную аттестацию углового датчика 6 проводят с помощью углового датчика 4. Операция аттестации производится достаточно много раз, чтобы иметь представительную выборку данных для усреднения случайных составляющих процедуры аттестации и выделения файла данных о погрешности основного углового преобразователя 6. В этом файле найдут свое отображение систематические погрешности углового преобразователя 6: погрешность изготовления растра и погрешность эксцентриситета, вызванная неточностью установки этого растра относительно оси вращения ротора. Полученный файл данных запоминается
в памяти управляющего процессора углоизмерительной установки в качестве эталона сравнения.
Процесс определения погрешности контролируемого ОБЪЕКТА на данной установке осуществляется следующим образом. После установки и юстировки контролируемого ОБЪЕКТА (растра) на предметном столике установки, ротор 2 с помощью двигателя вращения 3 раскручивается до нужной скорости. Затем производится одновременное измерение погрешностей двух растров: растра углового датчика 6 и контролируемого ОБЪЕКТА - относительно углового датчика 4. Файл данных, полученных в результате сравнения позиций штрихов растра углового датчика 6 с позициями штрихов растра 4, сопоставляется с файлом данных, находящемся в памяти процессора. Если в результате этого сравнения обнаруживаются отклонения, то они интерпретируются как выявленное возмущение, внесенное измерительной системой в этом конкретном измерении, и эти отклонения вычитаются из файла данных, зарегистрированного в качестве погрешности контролируемого ОБЪЕКТА. После выполнения операции вычитания в файле данных о контролируемом ОБЪЕКТЕ остаются составляющие, пропорциональные погрешности изготовления растра и погрешности установки растра на предметном столике (погрешность эксцентриситета). Последнюю составляющую устраняют из анализа программным способом, определяя вклад первой гармоники, как не имеющей отношения к погрешности изготовления контролируемого растра.