УСТРОЙСТВО МОНТАЖНО-ЮСТИРОВОЧНОЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СБОРОК
MOUNTING AND ADJUSTING DEVICE FOR LARGE OPTICAL-MECHANICAL ASSEMBLY

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для монтажа в условиях плотной компоновки и для последующей точной установки в пространстве крупногабаритного оборудования, например, оптико-механических сборок лазерных установок.
Известна опорно-несущая конструкция (патент РФ №2598108, МПК: F16F 3 00, F16F 15/02, опубл. 20.09.2016 г., Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом". Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ". Карпенко С.И., Забелин Е.В. и др.], содержащая опорную конструкцию и, закрепленную на ней посредством элементов сопряжения и элементов фиксации, несущую конструкцию. Элементы сопряжения выполнены в виде, по крайней мере, одной опоры неподвижной, ограниченной и свободной. При этом опоры состоят из основания, фланца, двух вставок, установленных в имеющихся патах основания и фланца, и шарика, размещенного между вставками, вставки неподвижной и ограниченной опор жестко закреплены в швах основания и фланца, вставка на фланце свободной опоры также жестко закреплена в пазу фланца, а вставка на основании свободной опоры выполнена с возможностью свободного перемещения внутри паза основания, вставки неподвижной и свободной опор имеют конические пазы для установки шарика, вставки ограниченной опоры имеют цилиндрический паз для размещения шарика. Элементы фиксации выполнены в виде подпружиненных крепежных элементов.
Известное устройство предназначено только для компенсации различных видов механических воздействий, передаваемых от опорной конструкции на закрепляемую несущую конструкцию с полезной нагрузкой, и не решает задач горизонтальной загрузки крупногабаритных устройств в условиях плотной компоновки, и последующей юстировки устройства.
Известно опорное устройство [патент РФ №2112262, МПК: G02B 23/16, опубл. 27.05.1998 г., Конструкторское бюро специальною машиностроения. Тружеников В.А. и др.], содержащее опорную конструкцию в виде опорных плит и установленную на ней через юстировочные механизмы посредством соответствующих элементов сопряжения, несущую конструкцию (основание). В качестве элементов сопряжения и котировочных механизмов использованы три опорных узла, регулируемых по высоте, один из которых снабжен подпятником с коническим гнездом, в котором размещен шар, взаимодействующий с основанием, а каждый из двух других выполнен в виде шара, размещенного в коническом гнезде нижнего подпятника, установленного на опорной плите и контактирующего с соответствующим верхним подпятником, закрепленным на основании. Один из регулируемых узлов выполнен в виде рычажно-шарнирного уравнительного механизма, содержащего по меньшей мере один балансир с расположенным на его плече подпятником с коническим гнездом, в котором размешен шар, контактирующий с опорной плоскостью основания. Причем верхний подпятник одного из них выполнен в виде опорной призмы, продольная ось которой расположена в вертикальной плоскости, проходящей через центры шаров этих опорных узлов.
Известное устройство предназначено только для регулировки положения оборудования в горизонтальной плоскости, и не решает задач горизонтальной загрузки крупногабаритных устройств в условиях плотной компоновки и последующей юстировки устройства по всем координатам.
Известно устройство позиционирования габаритных оптических элементов [патент РФ №171775, МПК: G02B 7/00, H01S 3/08, опубл. 15.06.2017 г., Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» (Госкорпорация «Росатом»), Карпенко С.П., Жулин А.В. и др.], содержащее опорную конструкцию и закрепленную на ней через котировочные механизмы посредством соответствующих элементов сопряжения и фиксации несущую конструкцию в виде плиты с полезной нагрузкой в виде оправы оптического элемента, два телескопических элемента в виде телескопических шариковых направляющих, выполненных с возможностью стыковки их выдвижных частей с несущей конструкцией посредством соответствующих элементов стыковки. Причем телескопические направляющие являются частью юстировочного механизма и функцию элементов сопряжения и элементов стыковки выполняют боковые вертикальные поверхности несущей конструкции и выдвижных частей телескопических направляющих, которые крепятся друг к другу посредством элементов фиксации в виде винтов. Неподвижные части телескопических направляющих закреплены на угловом элементе и имеют возможность поперечного относительно оптической оси устройства и вертикального перемещения, при этом поперечное перемещение осуществляется за счет боковых винтовых пар толкающих механизмов, а вертикальное - за счет винтовых пар.
Устройство может выполнять функцию горизонтальной загрузки крупногабаритной оптико-механической сборки за счет телескопических направляющих в условиях плотной компоновки, например, при многоярусном расположении нескольких оптико-механических сборок, а также позволяет проводить последующую юстировку оптико-механической сборки. Таким образом, известное устройство выбрано в качестве наиболее близкого по технической сущности аналога.
Недостатками известного устройства являются:
- недостаточная жесткость и надежность крепления оптико-механической сборки, а также недостаточная стабильность ее положения в пространстве, что обусловлено закреплением оптико-механической сборки в отъюстированном положении на телескопических направляющих, которые содержат недостаточно жесткие элементы (например, направляющие профили), а также большое количество подвижно сопрягаемых, зачастую с зазорами, элементов (направляющие профили, шарики и т.п.);
- невозможность угловой юстировки относительно вертикальной оси;
- сложность процесса юстировки в вертикальном и горизонтальном поперечном направлениях (для достаточно большого перемещения по одной координате нужно поочередно в небольшом диапазоне в несколько «приемов» вращать четыре винта);
- относительно низкая точность юстировки в вертикальном и горизонтальном поперечном направлениях, обусловленная наличием зазоров в сопрягаемых деталях механизмов;
- склонность к заклиниванию телескопических направляющих, обусловленная возможностью их непараллельной установки;
- сложность крепления оптико-механической сборки к подвижной части телескопических направляющих, то обусловлено использованием в качестве элементов стыковки боковых вертикальных поверхностей несущей конструкции и выдвижных частей телескопических направляющих, что не дает однозначности установки (например, как при использовании пят и ответных им подпятников или штифтов и ответных им отверстий и т.п.);
- низкая степень воспроизводимости положения оптико-механической сборки при демонтаже и повторном монтаже без проведения дополнительной юстировки как минимум по одной координате;
- отсутствие взаимозаменяемости оптико-механических сборок без проведения дополнительной юстировки.
Технический результат изобретения заключается в расширении эксплуатационных возможностей без увеличения массогабаритных характеристик.
Технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем опорную конструкцию и закрепленную на ней через котировочные механизмы посредством соответствующих элементов сопряжения и фиксации, по меньшей мере, одну несущую конструкцию для крепления полезной нагрузки с оптическим элементом/оптическими элементами, по меньшей мере один телескопический элемент, выполненный с возможностью стыковки его выдвижной части с несущей конструкцией посредством соответствующих элементов стыковки, новым является то, что элементы сопряжения выполнены в виде одной неподвижной, одной ограниченной и, по меньшей мере, одной свободной в горизонтальной плоскости относительно несущей конструкции опор, содержащих пяты и ответные им подпятники, выполненные с возможностью угловых перемещении опор относительно несущей конструкции, а также их линейных перемещений в горизонтальной плоскости: для ограниченной - в одном направлении, для свободной/свободных - в любом из направлений; а юстировочные механизмы снабжены элементами выборки люфтов и выполнены с возможностью независимых для каждой опоры линейных вертикальных перемещений относительно опорной конструкции, а также их линейных перемещений в горизонтальной плоскости: для ограниченной - в направлении, отличном от направления возможного ее линейного горизонтального перемещения относительно несущей конструкции, для неподвижной - в двух направлениях; причем диапазоны возможных линейных перемещений в горизонтальных направлениях ограниченной и свободной опор относительно несущей конструкции выбраны с учетом диапазонов перемещений юстировочных механизмов; неподвижная часть телескопического элемента / неподвижные части телескопических элементов закреплены на опорной конструкции, элементы стыковки выдвижных частей телескопических элементов с несущей конструкцией выполнены с возможностью обеспечения сопряжения несущей конструкции с котировочными механизмами в исходном положении телескопических элементов и содержат пяты и ответные им подпятники с гнездами, регулируемые в горизонтальной плоскости и оснащенные подъемным механизмом.
Кроме того, в устройстве юстировочные механизмы могут быть выполнены с возможностью дополнительных линейных перемещений опор относительно опорной конструкции в горизонтальной плоскости: для ограниченной - в направлении, совпадающем с направлением возможного ее линейного горизонтального перемещения относительно несущей конструкции, для свободной свободных - в двух направлениях. Также пяты и/или подпятники опор могут быть выбраны в качестве базовых при установке оптического элемента/оптических элементов полезной нагрузки на несущую конструкцию.
Влияние отличительных признаков патентной формулы на технический результат.
Выполнение элементов сопряжения в виде одной неподвижной, одной ограниченной и, по меньшей мере, одной свободной в горизонтальной плоскости относительной несущей конструкции опор, содержащих пяты и ответные им подпятники, выполненные с возможностью угловых перемещений опор относительно несущей конструкции, а также их линейных перемещений в горизонтальной плоскости: для ограниченной - в одном направлении, для свободной/свободных - в любом из направлений, позволяет установить несущую конструкцию непосредственно на котировочные механизмы (в процессе юстировки и при эксплуатации несущая конструкция не установлена на телескопические элементы), что повышает жесткость, надежность крепления несущей конструкции к опорной конструкции, стабильность и степень воспроизводимости (при демонтаже и последующем повторном монтаже без проведения дополнительной юстировки) положения несущей конструкции относительно опорной конструкции, что расширяет эксплуатационные возможности.
Снабжение котировочных механизмов элементами выборки люфтов позволяет исключить зазоры в сопрягаемых деталях, что повышает жесткость, надежность крепления несущей конструкции к опорной конструкции, стабильность и степень воспроизводимости положения несущей конструкции относительно опорной конструкции, а также повышает точность юстировки.
Выполнение котировочных механизмов с возможностью независимых для каждой опоры линейных вертикальных перемещении относительно опорной конструкции, а также их линейных перемещений в горизонтальной плоскости: для ограниченной - в направлении, отличном от направления возможного ее линейного горизонтального перемещения относительно несущей конструкции, для неподвижной - в двух направлениях, выбор диапазонов возможных линейных перемещений в горизонтальных направлениях ограниченной и свободной опор относительно несущей конструкции с учетом диапазонов перемещений котировочных механизмов, позволяет увеличить количество степеней свободы несущей конструкции (обеспечить юстировку по трем угловым и трем линейным координатам), упростить процесс юстировки, а также увеличить ее точность, что положительно влияет на вышеуказанный технический результат.
Закрепление неподвижной части телескопического элемента / неподвижных частей телескопических элементов на опорной конструкции, выполнение элементов стыковки выдвижных частей телескопических элементов с несущей конструкцией с возможностью обеспечения сопряжения несущей конструкции с котировочными механизмами в исходном положении телескопических элементов, наличие в составе элементов стыковки пят и ответных им подпятников с гнездами, регулируемых в горизонтальной плоскости и оснащенных подъемным механизмом, позволяет обеспечить установку несущей конструкции с полезной нагрузкой на телескопический элемент/телескопические элементы и обеспечивает последующие ее горизонтальное перемещение и установку на котировочные механизмы, что упрощает монтаж несущей конструкции в условиях плотной компоновки.
Выполнение котировочных механизмов с возможностью дополнительных линейных перемещений опор относительно опорной конструкции в горизонтальной плоскости: для ограниченной - в направлении, совпадающем с направлением возможного ее линейного горизонтального перемещения относительно несущей конструкции, для свободной/свободных - в двух направлениях позволяет снизить вероятность заклинивания механизмов, которое обусловлено трением между элементами сопряжения опор и несущей конструкции, возникающим при использовании котировочных механизмов горизонтального перемещения (что актуально при некоторых сочетаниях конфигурации несущей конструкции и расположения опор, а также при высокой массе несущей конструкции с полезной нагрузкой) за счет возможности одновременного или попеременного с минимальным разовым перемещением задействования котировочных механизмов горизонтального перемещения всех опор.
Выбор пят и/или подпятников опор в качестве базовых при установке оптическою элемента/оптических элементов полезной нагрузки на несущую конструкцию позволяет обеспечить взаимозаменяемость несущих конструкций с полезной нагрузкой без проведения дополнительной юстировки или с минимизацией ее объемов, что расширяет эксплуатационные возможности.
Рассмотрим реализацию предлагаемого изобретения, представленного на фиг. 1, 2, 3, 4.
На фиг. 1 - аксонометрическое изображение устройства монтажно-юстировочного крупногабаритных оптико-механических сборок;
На фиг. 2 - неподвижная опора с котировочным механизмом;
На фиг. 3 - ограниченная опора с котировочным механизмом;
На фиг. 4 - свободная опора с котировочным механизмом.
На фигурах позициями обозначены: 1 - опорная конструкция, 2 - котировочные механизмы, 3 - элементы фиксации, 4 - несущая конструкция, 5 - полезная нагрузка, 6 - неподвижная опора (элемент сопряжения), 7 - ограниченная опора (элемент сопряжения), 8 - свободная опора (элемент сопряжения), 9 - пяты опор, 10 - подпятники опор, 11 - элементы выборки люфтов, 12 - телескопический элемент, 13 - элементы стыковки, 14 - подъемный механизм.
Устройство содержит опорную конструкцию 1, выполненную в виде сборно-сварной рамы из профильных труб и листовых элементов. На опорной конструкции 1 через котировочные механизмы 2 посредством соответствующих элементов сопряжения 6, 7, 8 и элементов фиксации 3 поярусно закреплены несколько несущих конструкций 4, каждая из которых выполнена в виде сборной платформы из листовых элементов. На несущей конструкции 4 установлена полезная нагрузка 5, включающая в себя оптико-механические узлы и оптико-электронные приборы, образующие оптическую систему. На несущую конструкцию 4 могут устанавливаться конструкции, изолирующие, в том числе герметично, оптическую систему и или ее составные части от окружающей среды (кожухи, крышки, панели и т.п.), при этом используются узлы ввода-вывода лазерного излучения, гидравлических, пневматических, вакуумных систем, электрических и оптических кабелей и т.п., необходимых для работы оптической системы, в изолированный объем.
Элементы сопряжения каждой несущей конструкции 4 выполнены виде одной неподвижной опоры 6, одной ограниченной опоры 7 и одной свободной опоры 8. В некоторых случаях целесообразно применение более одной свободной опоры 8.
Опоры 6, 7, 8 содержат пяты опор 9 и ответные им подпятники опор 10. Пяты опор 9 имеют сферические опорные поверхности, а подпятники 10 неподвижной опоры 6 имеют сферические / конические (см. фиг. 2) / тетрагональные опорные гнезда, ограниченной опоры 7 - цилиндрический / V-образный (см. фиг. 3) опорный паз, свободной опоры 8 - опорную плоскость (см. фиг. 4). Пяты опор 9 выполнены (см. фиг. 2, 3, 4), жестко закреплены (в случае выполнения в виде отдельных деталей) на подвижных частях котировочных механизмов 2 или на несущей конструкции 4, а подпятники 10 выполнены жестко закреплены (см. фиг. 2, 3, 4) на несущей конструкции 4 или на подвижных частях котировочных механизмов 2 соответственно. Элементы фиксации 3 включают в себя сопрягаемые с пятами 9 прижимные кольца с резьбовыми втулками, которые в свою очередь сопряжены с подпятниками 10. При этом в неподвижной опоре 6 втулка вкручивается непосредственно в подпятник 10, в ограниченной 7 и свободной 8 - в подпятник через ползуны, которые обеспечивают фиксацию при любом положении пят 9 относительно подпятников. Так же элементы фиксации 3 дополнительно включают в себя упругие элементы в виде пружин или резиновых пластин.
В другом варианте реализации, например, подпятники 10 опор 7, 8 имеют сферические / конические / тетрагональные опорные гнезда, установлены на несущей конструкции 4 и могут перемещаться относительно нее: для ограниченной опоры 7 - в одном из горизонтальных направлений, а для свободной опоры 8 - в любом из горизонтальных направлений, а элементы фиксации включают в себя прижимные фланцы с винтами, устанавливаемые в несущую конструкцию 4.
Таким образом, опоры 6, 7, 8 имеют возможность угловых перемещений относительно несущей конструкции 4, а также их линейных перемещений в горизонтальной плоскости: для ограниченной опоры 7 - в одном направлении, для свободной/свободных опор 8 - в любом из направлений.
Пяты 9 и/или подпятники 10 опор 6, 7, 8, жестко закрепленные/установленные/выполненные на несущей конструкции 4 выбраны в качестве базовых при установке оптического элемента оптических элементов полезной нагрузки 5.
Юстировочные механизмы 2 снабжены элементами выборки люфтов 11 и позволяют выполнять независимые для каждой опоры 6, 7, 8 линейные вертикальные перемещения относительно опорной конструкции 1, а также их линейных перемещений в горизонтальной плоскости: для ограниченной опоры 7 - и направлении, отличном от направления возможного ее линейного горизонтального перемещения относительно несущей конструкции 4, для неподвижной опоры 6 - в двух направлениях.
В другом варианте реализации котировочные механизмы 2 дополнительно позволяют выполнять линейные перемещения опор 6, 7, 8 относительно опорной конструкции 1 в горизонтальной плоскости: для ограниченной опоры 7 - в направлении, совпадающем с направлением возможного ее линейного горизонтального перемещения относительно несущей конструкции 4, для свободной опоры 8 - в двух направлениях.
При этом диапазоны возможных линейных перемещений в горизонтальных направлениях ограниченной 7 и свободной опор 8 относительно несущей конструкции 4 выбраны с учетом диапазонов перемещений котировочных механизмов 2.
Юстировочные механизмы 2 для вертикальных перемещений каждой из опор 6, 7, 8 относительно опорной конструкции 1 выполнены в виде передачи «винт-гайка» (гайка неподвижна, винт при вращении перемещается относительно опорной конструкции) с элементами выборки люфтов 11 в виде цанги с соответствующей регулировочной гайкой, которая также может использоваться для дальнейшей фиксации. В другом варианте реализации вертикальные перемещения осуществляются, например, при помощи домкратов с элементами выборки люфтов в виде, например, винтов и/или хомутов, которые также могут использоваться для фиксации.
Юстировочные механизмы 2 для горизонтальных перемещений опор 6, 7 относительно опорной конструкции 1 включают в себя охватывающие направляющие скольжения типа «ласточкин хвост» с соответствующими ползунами, движение которых осуществляются при помощи ходовых винтов, и элементами выборки люфтов 11 в виде регулировочных планок, фиксация при этом осуществляется при помощи винтов, установленных в планки и упирающихся в ползуны. В другом варианте реализации горизонтальные перемещения осуществляются, например, с использованием направляющих смешанного типа (например, треугольная с прямоугольной), фиксация при этом осуществляется при помощи винтов, вкручивающихся в основание направляющей через сквозной паз в ползуне.
Устройство также содержит два телескопических элемента 12 в виде телескопических шариковых направляющих неподвижные части которых закреплены на опорной конструкции 1, а выдвижные части выполнены с возможностью стыковки с несущей конструкцией 4 посредством соответствующих элементов стыковки 13, выполненных в виде пят и ответных им подпятников с гнездами, регулируемых в горизонтальной плоскости и оснащенных подъемным механизмом 14. обеспечивающими сопряжение несущей конструкции 4 с котировочными механизмами 2 в исходном положении телескопических элементов 12.
Подъемный механизм 14 выполнен в виде винтов, установленных в несущую конструкцию 4, при этом пяты выполнены на концах винтов, а подпятники установлены на выдвижных частях телескопических элементов 12 с регулировкой их положения в пазах.
В другом варианте реализации, например, подъемный механизм 14 выполнен в виде двух «ножничных» подъемников, устной генных на выдвижных частях телескопических элементов 12. Пяты при этом установлены на подъемник или несущую конструкцию, а подпятники на несущую конструкцию или подъемник соответственно.
Устройство работает следующим образом.
Крупногабаритная оптико-механическая сборка, содержащая несущую конструкцию 4 и полезную нагрузку 5 с оптическими элементами, собирается на специализированном стенде. Контроль положения оптических элементов относительно пят 9 и, или подпятников 10 опор 6, 7, 8, жестко закрепленных/установленных/выполненных на несущей конструкции 4 осуществляется с использованием, например, геодезического оборудования.
Крупногабаритные оптико-механические сборки переметаются на место эксплуатации и устанавливаются с использованием кран-балки на заранее выдвинутые выдвижные части телескопических элементов 12 с сопряжением пят и подпятников элементов стыковки 13. При этом подъемные механизмы 14 заранее установлены в крайнее верхнее положение. Телескопические элементы 12 с несущими конструкциями 4 приводятся в исходное положение. Далее опуская несущую конструкцию при помощи подъемного механизма 14, сопрягают пяты 9 и подпятники 10 опор 6, 7, 8. Причем положение пят и/или подпятников элементов стыковки 13 заранее «синхронизировано» в горизонтальной плоскости с положением пят 9 и/или подпятников 10 опор 6, 7, 8.
Далее с помощью котировочных механизмов 2 производится юстировка несущей конструкции 4 относительно жестко закрепленной опорной конструкции 1 по всем угловым и линейным координатам с последующим закреплением при помощи элементов фиксации 3. При этом за юры между подвижными элементами котировочных механизмов 2 заранее убраны с помощью элементов выборки люфтов 11. Затем при необходимости производится подключение гидравлических, пневматических, вакуумных систем, электрических, оптических кабелей и т.п.
Демонтаж несущей конструкции 4 производится в обратной последовательности. При замене несущей конструкции 4 с полезной нагрузкой 5 дополнительная юстировка не требуется или ее объем минимален.
На предприятии была проведена конструкторская разработка и изготовлены опытные образцы, прошедшие испытания в сое иже лазерной установки. Таким образом, предлагаемое изобретение позволило расширить эксплуатационные возможности без увеличения массогабаритных характеристик за счет повышения жесткости, надежности крепления несущей конструкции, повышения стабильности и степени воспроизводимости ее положения,, повышения точности кодировки и ее упрощения, увеличения количества степеней свободы, снижения вероятности заклинивания механизмов, обеспечения взаимозаменяемости несущих конструкций с полезными нагрузками без проведения дополнительной юстировки или с минимизацией ее объемов.