УГЛОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к Критическим технологиям РФ «Технологии механотроники и создание микросистемной техники» и может быть использована в метрологии, измерительной технике, в точном машиностроении, приборостроении и других областях промышленности для контроля точности изготовления шкал, лимбов, растров и других объектов контроля, называемых далее углоизмерительными структурами (УИС).
В настоящее время в различных отраслях промышленности, в частности, в точном машиностроении или приборостроении начинают использоваться различные шкалы, лимбы, растры и другие объекты с УИС, точность изготовления которых лежит в диапазоне 1,0-0,5 угловой секунды. Для контроля подобных объектов необходимы соответствующие метрологические средства контроля с точностью, по крайней мере, в три раза более высокой, чем ожидаемая точность указанных выше объектов.
n
Для контроля точности угловых преобразователей наибольшее распространение получил динамический метод контроля, реализуемый с помощью устройства, содержащего соосно расположенные и жесткосоединенные между собой прецизионный шпиндель, двигатель вращения и угловой датчик. Например, известна углоизмерительная установка (см. Т.Masuda, M.Kajitani. An automatic calibration system for angular encoders. Precision Engineering, v. 11, No 2, 1989, p.95), содержащая соосно расположенные и жесткосоединенные между собой прецизионный шпиндель, двигатель вращения и угловой датчик, с п позиционно-считывающими головками, где п не менее 2. Угловая точность такой установки достаточно высока за счет использования принципа многоголовочного считывания данных с опорного растра, т.к. в установке 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, номера которых образованы 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, номера которых образованы 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, номера которых образованы 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, номера которых образованы умножением 16 на все нечетные числа. В результате совместного использования 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 погрешностью положения меток не хуже 0,01 угловой секунды.
Столь глубокое подавление вклада погрешности изготовления опорного растра и погрешности подшипников шпинделя особенно эффективно при контроле погрешности угловых датчиков в сборе, т.к. в этом случае от углоизмерительной установки требуется только точное задание угла поворота.
При контроле собранных датчиков, имеющих собственную подшипниковую систему, которая вместе с используемым растром определяет итоговую погрешность преобразователя, любое расхождение между показаниями контролируемого преобразователя и заданной угловой позицией трактуется как погрешность преобразователя.
Известно, что контроль точности изготовления УИС имеет ряд существенных отличий от аналогичного контроля готовых угловых преобразователей, которые учитываются в заявляемом устройстве.
Наиболее близким к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для контроля погрешности лимбов. (См., Г.В.Егоров, С.М.Латыев, С.С.Митрофанов и В.П.Петров, Авторское свидетельство СССР №1384951, кл. G01С 1/02), содержащее головку считывания данных с контролируемых структур, шпиндель с вертикальной осью вращения, эталонный датчик угла поворота и стеклянный диск с нанесенной на его поверхности контролируемой структурой.
В отличие от установок для контроля готовых угловых датчиков здесь не каждое расхождение между показаниями контролируемого преобразователя и заданной угловой позицией может трактоваться как погрешность изготовления УИС. Например, неточная установка контролируемой УИС относительно оси вращения приводит к появлению погрешности эксцентриситета, которая никак не связана с погрешностью изготовления УИС. Или в связи с тем, что ось ротора шпинделя всегда имеет возможность совершать небольшие качания в вертикальной плоскости, то возникающую погрешность компарирования (погрешность Аббе), также нельзя приписывать УИС. Эту составляющую погрешности целенаправленно уменьшают за счет того, что собственный (референтный) угловой датчик углоизмерительной установки размещают в непосредственной близости от контролируемого объекта (углоизмерительной структуры). Данный прием эффективен только в тех случаях, когда возмущения, вносимые пространственными девиациями оси ротора, проявляют себя идентично как для собственного углового датчика установки, так и для контролируемого преобразователя.
Однако в тех случаях, когда в референтном угловом датчике установки используются n считывающих головок, а для контроля УИС используется одна считывающая головка, данное условие не реализуется. Как было рассмотрено выше, повышение точности углового датчика установки за счет введения, например, пяти пар считывающих головок приводит к появлению эффекта нечувствительности датчика к биениям оси, на которой смонтирован растр референтного углового датчика. В то время как данные, считываемые с контролируемой УИС с помощью дополнительной считывающей головки, искажаются движениями в пространстве оси ротора в полной мере. Например, для УИС диаметром 100 мм качание оси ротора вместе с установленной на нем УИС всего на ±0,1 мкм приводит к появлению погрешности контроля, равной ±0,4 угловой секунды, которая в сорок раз превышает достигнутую (например, за счет использования 5 пар считывающих головок) точность задания угла поворота ротора установки. Этот отрицательный эффект от малых спонтанных уходов в пространстве оси вращения будет иметь место даже при условии использования шпинделей самого высокого класса (рассмотреный выше пример, когда биения оси ротора составляют ±0,1 мкм, относится к шпинделям высокого класса. Шпиндели новейших разработок характеризуются биениями оси, не превышающими ±0,05 мкм).
Размещение собственного углового датчика углоизмерительной установки в непосредственной близости от контролируемого объекта приводит к существенному изменению в шпиндельном узле положения центра масс вращения (т.е. ротора вместе с присоединенными к нему: промежуточным фланцем, стеклянным диском собственного растра, предметным столиком и стеклянным диском контролируемой УИС). И так как трудно гарантировать точное совмещение центра масс вращения с осью вращения ротора, то возникающий в результате этого дисбаланс при вращении ротора приводит к появлению динамической неуравновешенности ротора. В свою очередь, динамическая неуравновешенность ротора приводит, как показали исследования (см. А.В.Кирьянов, «Снижение погрешности формирования прецизионных углоизмерительных структур». Диссертация и автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, НГТУ, Новосибирск, 2009 г.) к сложным движениям апекса (верхней точки) оси вращения ротора, которые являются следствием возбуждения в этом случае двух типов движений (прецессии и нутации) оси ротора, и резкому ухудшению точности контроля УИС.
Целью заявляемого технического решения является устранение погрешностей контроля, связанных с появлением сложных движений в пространстве апекса оси вращающейся системы шпиндельного узла (ротор, промежуточный фланец, стеклянный диск углового датчика, предметный столик (оправка), стеклянный диск контролируемого углового преобразователя) и снижение ее до значений, определяемых только качеством изготовления подшипников шпинделя установки.
Указанная цель в заявляемом углоизмерительном устройстве, содержащем головку считывания данных с контролируемых структур, шпиндель с вертикальной осью вращения, эталонный датчик угла поворота и стеклянный диск с нанесенной на его поверхности контролируемой структурой, достигается тем, что на верхнем торце шпинделя размещают фланец и оправку для установки стеклянного диска, а на нижнем - двигатель вращения и дополнительный противовес, полярный момент инерции которого вместе с двигателем вращения, рассчитываемый относительно центра симметрии ротора шпинделя, равен полярному моменту инерции фланца с присоединенными к нему эталонным датчиком угла поворота и оправкой, при этом на нижней поверхности противовеса предусматривают место для соосной установки имитатора контролируемой структуры, полярный момент инерции которого равен полярному моменту инерции контролируемой структуры.
0
На фиг.1 представлено заявляемое устройство для контроля точности изготовления УИС (растров, шкал, лимбов, кодовых дисков и т.д.), содержащее головку считывания 1 данных с контролируемых структур 2 и узел вращения, включающий в себя шпиндель с вертикальной осью вращения, на верхнем торце ротора 3 которого размещены фланец 4 со стеклянным диском 5 эталонного датчика угла поворота и оправка 6 для установки контролируемой структуры 2, а на нижнем торце - двигатель вращения 7, в котором с целью устранения погрешностей контроля, связанных с появлением сложных движений в пространстве апекса оси вращающейся системы шпиндельного узла (включающей в себя ротор шпинделя 3, промежуточный фланец 4, стеклянный диск углового датчика 5, предметный столик (оправка) 6 и стеклянный диск контролируемой УИС 2), нижнему торцу шпинделя присоединен дополнительно противовес 8, полярный момент инерции которого вместе с присоединенным к нему двигателем вращения 7, рассчитываемый относительно центра симметрии М ротора шпинделя, равен полярному моменту инерции фланца 4 с присоединенным к нему эталонным датчиком 5 угла поворота и оправкой 6, при этом на нижней поверхности противовеса 8 предусмотрено место для соосной установки имитатора 9 контролируемой структуры, полярный момент инерции которого равен полярному моменту инерции контролируемой структуры 2. При этом в состав эталонного датчика угла поворота входят п считывающих головок 10.
0
Предлагаемые изменения конструкции устройства для контроля точности изготовления УИС проявляют свои положительные свойства следующим образом. Пусть в исходном состоянии ротор шпинделя сбалансирован идеально, т.ч. его собственный центр масс М совпадает с центром симметрии аэростатического подшипника О и оставшиеся биения оси ротора обусловлены только качеством изготовления деталей шпинделя.
Поставленная задача устранения погрешности контроля, связанной с появлением сложных движений в пространстве апекса оси вращающейся системы шпиндельного узла, предлагается решить путем выравнивания полярных моментов инерции узлов и деталей, присоединенных к верхнему и нижнему торцам ротора шпинделя, соответственно:
i
i
k
k
где M - масса i-й материальной точки, принадлежащей узлам и деталям, присоединенным к верхнему торцу ротора, r - расстояние от i-й материальной точки до центра симметрии аэростатического подшипника, M - масса k-й материальной точки, принадлежащей узлам и деталям, присоединенным к нижнему торцу ротора, r - расстояние от k-й материальной точки до центра симметрии аэростатического подшипника.
Используя теорему Гюйгенса-Шнейдера, можно перейти от ансамбля материальных точек к реальным узлам и деталям, присоединенным к верхнему и нижнему торцам ротора шпинделя, соответственно. Тогда выражение (1) преобразуется к виду:
0i
i
i
0k
k
k
здесь I - полярный момент инерции i-й детали, присоединенной к верхнему торцу ротора, относительно оси, проходящей через центр масс данной детали, М - масса i-й детали, r - расстояние от центра масс i-й детали до центра симметрии аэростатического подшипника; I - полярный момент инерции k-й детали, присоединенной к нижнему торцу ротора, относительно оси, проходящей через центр масс данной детали, М - масса k-й детали, r - расстояние от центра масс k-й детали до центра симметрии аэростатического подшипника. Используя выражение (2), нетрудно определить параметры противовеса 8, с помощью которого устраняется дестабилизирующее действие всех постоянно размещенных сверху узлов. Имитатор 9 используется для устранения дестабилизирующего действия контролируемого объекта 2 и подбирается каждый раз конкретно под его текущие параметры.
Полярный момент инерции стеклянного диска толщиной - d, радиуса R и с внутренним отверстием радиуса r, расположенного на расстоянии OD от центра симметрии подшипника, определится как:
cm
где ρ- плотность стекла.
им
им
Полярный момент имитатора толщиной d, радиусом R, расположенного на расстоянии OВ от центра симметрии подшипника, определится как:
2
4
Для оценки параметров имитатора 9 можно принять (погрешность оценок не превысит (10-15)%), что М - вся масса стеклянного диска сосредоточена в центре масс с координатой D, а масса имитатора М - в центре масс с координатой В. Параметры имитатора можно оценить из следующего соотношения:
где OD - расстояние от центра симметрии подшипника до центра масс диска, OB - расстояние от центра симметрии подшипника до центра масс имитатора.
В качестве примеров реализации заявляемого устройства рассмотрим следующие ситуации.
2
6
2
Пример 1. Пусть в составе углоизмерительной установки используется аэростатический шпиндель 3 с гарантированными биениями оси, не превышающими ±0,05 мкм. Расстояние от центра симметрии подшипника до посадочной плоскости оправки 6-250 мм. Расстояние от центра симметрии подшипника до посадочной плоскости противовеса (для имитатора) - 185 мм. В качестве контролируемой структуры 2 использован стеклянный диск толщиной 5 мм, диаметром 100 мм с внутренним отверстием, диаметром 10 мм, и массой М=353,4 г. Тогда центр масс УИС совпадает с координатой - 252,5 мм. Полярный момент инерции УИС равен - 6,2·10 г·мм.
6
2
В качестве имитатора 9 контролируемой структуры используется стальной диск, толщиной 5 мм. В данной конструкции центр масс этого диска совпадает с координатой - 187,5 мм, а полярный момент инерции должен быть равен - 6,2·10 г·мм. Следовательно, диаметр стального диска имитатора будет равна 75,8 мм.
2
Пример 2. Пусть в качестве контролируемой структуры 2 использован диск из стекла, толщиной 10 мм, диаметром 200 мм с внутренним отверстием, диаметром 10 мм. В этом случае центр масс УИС совпадает с координатой 255 мм. Масса диска равна 783,5 г, а полярный момент инерции УИС - 50947087 Г·мм.
2
В качестве имитатора 9 контролируемой структуры используется стальной диск, толщиной 10 мм. Центр масс этого диска совпадает с координатой - 190 мм. Полярный момент инерции его должен быть равен - 50947087 Г·мм. Следовательно, масса диска должна быть равной - 1411 г, а диаметр имитатора должен быть равным - 151,8 мм.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет устранить погрешность контроля, связанную с появлением сложных движений в пространстве апекса оси вращающейся системы шпиндельного узла, снизив ее до значений, определяемых только качеством изготовления подшипников шпинделя установки.