ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ УГЛОВОГО КОМПАРАТОРА

Полезная модель относится к области оптоэлектроники и может быть использована в измерительной технике, в точном машиностроении, приборостроении и других областях науки и промышленности при создании высокоточных углоизмерительных приборов и преобразователей угла поворота.
Известны примеры использования шпиндельного узла с двумя угловыми датчиками, установленными с обоих торцов шпиндельного узла в высокоточных углоизмерительных установках (см., например, «Использование дифференциального метода измерений для контроля точности прецизионных углоизмерительных структур». Кирьянов А.В., Кирьянов В.П., Чуканов В.В. // Автометрия, 2016, т.52, №4, с. 45-52; «Оперативный контроль прецизионных углоизмерительных структур», А.В. Кирьянов, А.А. Зотов, А.Г. Каракоцкий, В.П. Кирьянов, А.Д. Петухов, В.В. Чуканов // «Измерительная техника», №5, 2019, с. 31-35; «Оперативный контроль оптических углоизмерительных структур», А.В. Кирьянов, А.А. Зотов, А.Г. Каракоцкий, В.П. Кирьянов, А.Д. Петухов, В.В. Чуканов // «Оптический журнал», №9, 2019, с. 60-62).
Техническая реализация установки для контроля прецизионных углоизмерительных структур, описанная в этих работах и принятая за прототип, известна из патента РФ №83133, МПК G01C 1/00, опубликован 20.05.2009 г.
В известном патенте описан шпиндельный узел углового компаратора, содержащий соосно расположенные и жесткосоединенные между собой на общем вале предметный столик, первый измерительный диск с одной позиционно-считывающей головкой, роторный блок, двигатель вращения и второй измерительный диск с n позиционно-считывающими головками, где n≥2, расположенными равномерно по окружности диска, а также информационную считывающую головку, расположенную над предметным столиком, вертикальная ось которой параллельна оси шпинделя.
Анализируемый объект (контролируемый растр, лимб или многоразрядный кодовый диск, далее углоизмерительные структуры - УИС) устанавливают на предметном столике строго соосно относительно оси роторного блока.
Для выполнения процедуры измерения роторный блок с помощью двигателя вращения раскручивается до определенной скорости, которую затем поддерживают неизменной с помощью специальной системы управления. Затем с помощью информационной считывающей головки формируют сигналы прохождения штрихов объекта (контролируемого растра или лимба). Моменты появления сигналов с информационной считывающей головки сравнивают с сигналами от позиционно-считывающих головок второго измерительного диска, образующих вместе - референтный датчик. Разброс в моментах формирования сигналов от контролируемого объекта относительно моментов появления сигналов позиционно-считывающих головок второго измерительного диска является мерой точности изготовления контролируемого объекта. Наличие первого измерительного диска с одной позиционно-считывающей головкой (образующих совместно рабочий датчик) позволяет за счет сигнала считывания данных с нее устранить искажения, возникающие в информационной считывающей головке, обусловленные случайными отклонениями оси роторного блока.
Первоначальная операция аттестации рабочего датчика, созданного на базе первого измерительного диска с одной позиционно-считывающей головкой проводят с помощью референтного углового датчика, созданного на базе второго измерительного диска с n позиционно-считывающими головками, где n≥2. Операция аттестации производится достаточно много раз, чтобы иметь представительную выборку данных для усреднения случайных составляющих процедуры аттестации и выделения файла данных о погрешности первого измерительного диска. В этом файле найдут свое отображение систематические погрешности: погрешность изготовления самого диска и погрешность эксцентриситета, вызванная неточностью установки этого диска относительно оси вращения роторного блока. Полученный файл данных запоминается в памяти управляющего процессора углоизмерительной машине (УИМ) в качестве эталона сравнения.
Контроль точности работы УИМ проверяется периодически с помощью т.н. стандартных образцов предприятия (СОП), которые устанавливаются на предметном столике углового компаратора и измеряются так же, как и другие объекты контроля. Разница состоит в том, что на СОП производителем данного образца поставляется файл данных о погрешности нанесения топологии СОП, полученный на метрологических установках учреждений системы Госстандарта. При наличии существенных отклонений в полученных результатах контроля СОП от аттестованных показателей необходимо производить заново калибровку основных датчиков углового компаратора (рабочего и референтного) с помощью внешнего датчика, принимаемого в качестве эталонного.
Имеется две серьезные причины, вызывающие затруднения в реализации данной операции. Первая - сложно получить датчик, который можно было бы использовать в качестве эталонного. Вторая - сложно точно присоединить эталонный датчик к роторному блоку шпиндельного узла компаратора.
В соответствии с ГОСТ 8.497 - 83 требования к метрологическому качеству образца, взятого за эталон, разные в зависимости от условий измерений. Если в ходе калибровки основных датчиков компаратора предполагается вводить поправки на показания, считываемые с выхода прибора, взятого за эталон сравнения, то абсолютная погрешность этого прибора должна быть в три раза меньшей, чем ожидаемая погрешность калибруемого средства измерения. Если же в ходе калибровки основных датчиков компаратора не предполагается вводить поправки на показания, считываемые с выхода прибора, взятого за эталон сравнения, то абсолютная погрешность этого прибора должна быть в пять раз меньшей, чем ожидаемая погрешность калибруемого средства измерения.
Как следует из описания прототипа, при измерениях СОП предполагается введение данных, характеризующих систематическую составляющую погрешности референтного датчика (второго измерительного диска с позиционно-считывающими головками). Поэтому реально ставить задачу калибровки референтного датчика также с использованием данных о поправках на результаты показаний прибора, взятого в качестве эталона сравнения. В этом случае его погрешность может быть только в три раза меньшей, чем погрешность референтного датчика компаратора.
Таким образом, если ставится задача гарантировать погрешность углового компаратора на уровне 0,3'', то погрешность референтного датчика должна быть на уровне ±0,1''. По аналогии, погрешность прибора, выбираемого в качестве эталона сравнения, может быть тоже в три раза меньшей, т.е. в пределах ±0,033'', если будет возможность ввести поправки на результаты измерений, полученных с его помощью.
Однако реализовать на практике показатели, полученные в результате сделанных оценок, весьма непросто. В случае, когда такой датчик найден, его надо присоединить к роторному блоку шпиндельного узла компаратора. Данная операция должна быть выполнена с точностью, близкой точности соединяемых образцов. На практике это делается с помощью компенсационных муфт равных угловых скоростей, допускающих наличие незначительной несоосности в установке вала эталонного углового датчика и роторного блока шпиндельного узла компаратора. Известные компенсационные муфты разных производителей гарантируют передачу угла поворота от эталонного датчика к роторному блоку шпиндельного узла с точностью, не лучше чем ±(0,2-0,3)'', в то время как необходимо обеспечить передачу угла поворота с погрешностью не хуже ±0,03''. Т.е. они не могут решить поставленную задачу. Чтобы удовлетворить требованиям ГОСТ 8.497 - 83 нужны иные технические решения.
Задачей заявляемого технического решение является обеспечение в условиях промышленного производства возможность контролировать топологию УИС с погрешностью, не хуже ±0,3'', что в свою очередь требует обеспечения периодической калибровки основных угловых датчиков шпиндельного узла компаратора с погрешностью не хуже ±0,03''.
Технический результат от заявляемого технического решения заключается в уменьшении погрешности калибровки базовых угловых датчиков шпиндельного узла компаратора до уровня, не превышающего ±0,03'', который гарантирует контроль топологии синтезируемых УИС с погрешностью, не хуже ±0,3''.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в шпиндельном узле повышенной точности углового компаратора, содержащем соосно расположенные на общем вале предметный столик, первый измерительный диск с позиционно-считывающей головкой, роторный блок, двигатель вращения и второй измерительный диск с n позиционно-считывающими головками, где n≥2, расположенными равномерно по окружности диска, а также информационную считывающую головку, расположенную над предметным столиком, вертикальная ось которой параллельна оси шпинделя, на первом измерительном диске установлена по меньшей мере одна дополнительная позиционно-считывающая головка, а второй измерительный диск соединен с валом через узел сцепления/расцепления и подшипник вращения.
Структурная схема шпиндельного узла приведена на чертеже.
В состав шпиндельного узла входят: 1 - информационная считывающая головка компаратора; 2 - вал; 3 - предметный столик; 4 - первый измерительный диск; 5 - основная позиционно-считывающая головка первого измерительного диска; 6 - дополнительные позиционно-считывающие головки первого измерительного диска; 7 - роторный блок; 8 -двигатель вращения; 9 - второй измерительный диск; 10 - позиционно-считывающие головки второго измерительного диска; 11 - узел сцепления/расцепления; 12 - подшипник качения.
На вале 2 последовательно сверху вниз установлены предметный столик 3, первый измерительный диск 4 с основной 5 и дополнительными считывающими головками 6 (при этом измерительный диск 4 с основной головкой 5 образует рабочий датчик, а в совокупности с основной 5 и дополнительными позиционно-считывающими головками 6 - референтный датчик), роторный блок 7, двигатель 8 вращения, подшипник 12 качения, с которым через узел 11 сцепления/расцепления соединен второй измерительный диск 9 с позиционно-считывающими головками 10 (образующие эталонный датчик).
На предметном столике 3 устанавливают контролируемый объект (УИС).
Угловой компаратор, содержащий заявляемый шпиндельный узел, работает следующим образом. Во-первых, компаратор имеет два режима работы: первый - режим измерений (контроля) и второй - режим калибровки. В режиме измерений контролируемый объект (а им может быть либо синтезированная УИС, либо СОП) размещается на предметном столике 3. С помощью двигателя 8 вращения объект раскручивается до номинальной скорости и с помощью информационной считывающей головки 1 снимаются показания о координатах границ элементов топологии исследуемого объекта. Одновременно снимаются показания с выхода позиционно-считывающей головки 5 и позиционно-считывающих головок 5 и 6. С помощью сигналов позиционно-считывающих головок 5 и 6 формируется сетка угловых меток, определяющих координаты границ идеальных элементов формируемой топологии. Разность между угловыми координатами реального объекта и идеального, сформированного референтным датчиком, пропорциональна погрешности формирования контролируемой структуры. Однако, в выделенных разностях имеется искажающий вклад от самого компаратора. Этот вклад в текущий результат контроля оценивается с помощью рабочего датчика. Как правило, основное искажение вносит сам объект контроля, который имеет вполне определенную массу и, будучи размещенным на предметном столике 3 шпиндельного узла компаратора, нагружает его. Роторный блок 7 под воздействием силы тяжести объекта слегка меняет свое расположение относительно своих корпусных деталей. После запуска двигателя 8 под воздействием гироскопических сил ось роторного блока 7 начинает совершать вынужденные движения, возвращающие ее в исходное положение. Вообще говоря, исследуемый объект вместе с предметным столиком 3 совершает три типа движений: одно полезное (круговое вращение) и два паразитных: регулярная прецессия и вынужденная нутация. В результате искажающего воздействия этих движений итоговая траектория сканирования информационной считывающей головкой 1 топологии исследуемого образца становится отличной от идеально круговой, что и привносит искажения в результат контроля. Т.к. измерительный диск 4 жестко связан с роторным блоком 7, то его топология также начинает двигаться относительно считывающей головки 5 по траектории, отличающейся от идеально круговой. На это сложное движение рабочий и референтный датчики реагируют по-разному. Показания рабочего датчика, имеющего только одну позиционно-считывающую головку 5, заметно искажаются, а показания референтного датчика, имеющего несколько позиционно-считывающих головок (5 и 6), расположенных с равным шагом в пределах полного круга, практически не искажаются. Эта особенность обоих датчиков по-разному реагировать на подобные искажения используется для устранения возникших искажений из результатов контроля, выполненных с помощью информационной считывающей головки 1. Однако, результат искажений, зарегистрированный с помощью рабочего датчика, отличается от искажений, вносимых шпиндельным узлом компаратора в результат измерений, выполняемых с помощью головки 1. Эти отличия вызваны наличием т.н. эффекта Аббе, обусловленного нарушением принципа компарирования. Дело в том, что искажения, регистрируемые с помощью позиционно-считывающей головки 5, находятся в плоскости рабочей поверхности измерительного диска 4, а искажения в результат контроля, вносимые головкой 1, контролирующей поверхность исследуемого образца, находятся на расстоянии D от плоскости рабочей поверхности диска 4. Чтобы учесть это различие, надо принять во внимание так называемый геометрический фактор G=(D+Н0)/Н0, где Н0 - расстояние от центра симметрии роторного блока 7 до рабочей поверхности диска 4.
В точно таком же режиме производится тестирование работоспособности компаратора с помощью СОП. Если результат тестирования границ топологии СОП выходит за пределы допуска на эту операцию, то принимается решение, что необходимо заново откалибровать базовые угловые датчики компаратора (рабочий и референтный). Для калибровки базовых датчиков компаратора используется модифицированный метод двух шкал. Особенностью данного метода калибровки является то, что он позволяет получить неопределенность калибровки контролируемого образца существенно меньшую, чем исходные показатели шкалы, взятой в качестве эталона сравнения. Реализация этого метода калибровки требует возможности выполнять измерения отклонений топологии контролируемой шкалы относительно соответствующих показателей шкалы, взятой в качестве эталона сравнения, при различных взаимных положениях. Для этого угловая шкала, взятая в качестве эталона сравнения, (измерительный диск 9) устанавливается на вал 2 через подшипник 12 качения и узел 11 сцепления/расцепления. В соответствии с указанным способом калибровки выполняют несколько циклов измерения отклонений характерных признаков топологии (например, краев штрихов) контролируемой шкалы относительно таких же признаков второй шкалы, взятой в качестве эталона сравнения. В результате выполнения выбранных циклов измерений получают файл данных, характеризующий погрешность формирования элементов топологии шкалы измерительного диска 4 (образующего с головками 5 и 6 референтный датчик). Однако каждый элемент этого файла имеет искажения, внесенные инструментальной погрешностью измерительного диска 9. Особенностью модифицированного метода двух шкал является то, что он позволяет сформировать новый файл данных, которые используются как поправки к элементам файла, характеризующего погрешность формирования элементов топологии шкалы измерительного диска 4, и производят компенсацию искажающего вклада неточности изготовления штрихов эталонной шкалы.
Но и в этом случае данная операция компенсации выполняется с вполне определенной точностью, до т.н. неисключенной систематической погрешности (НСП) эталонного датчика. Величина НСП определяется конфигурацией эталонного датчика и общим числом сличений эталонного датчика с референтным, выполненных с выбранным шагом. Пусть, например, в качестве эталонного датчика используется измерительный растр с числом штрихов, N=36000. Накопленная погрешность изготовления растра составляет ±1,5''. Эталонный датчик создан на основе 4-х позиционно-считывающих головок, установленных с шагом 90°. Предположим также, что процесс получения калибровочной кривой был реализован с использованием 15 сдвигов (поворотов каждый раз на 24°). Как следует из теории метода, применение датчика с 4-мя головками считывания и 15-и сдвигов шкал друг относительно друга, дает эффект подавления первых 59-и и кратных им гармоник кривой погрешности измерительного растра датчика, используемого в качестве эталона сравнения. Т.е. НСП эталонного датчика формируется 60-й и последующих кратных ей гармоник. Для шкалы с исходной погрешностью ±1,5'' это соответствует остаточному значению ±0,025''. Чтобы уменьшить НСП, число сличений можно увеличить, например, в два раза, доведя их число до 30. Тогда НСП эталонного датчика будет формируется 120-й и последующих кратных ей гармоник. Величина НСП в этом случае уменьшится до уровня ±0,002''. Но на практике эффективней использовать свойство мультипликативности данной процедуры, когда используют не один цикл сличений, а несколько циклов с различными шагами смещений, например, два цикла, из которых один выполняют в виде пяти сдвигов через 72°, а второй в виде девяти сдвигов через 40°. Это эквивалентно 45-и сдвигам через 8°, хотя реально выполняется всего 14 сдвигов, т.е. меньше, чем в первом случае. Но НСП формируется теперь только 180-й и кратными ей гармониками, а это приводит к тому, что значение НСП становится меньше ±0,001''. Таким образом, использование встроенного в компаратор эталонного датчика и модифицированного метода двух шкал позволяет выполнять в производственных условиях периодическую калибровку компаратора с неопределенностью на уровне ±0,001''.
Заявляемое техническое решение обеспечивает высокую точность измерений и позволяет производить калибрование самого прибора непосредственно в процессе работы.