УСТРОЙСТВО ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННЫХ СОСТОЯНИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам контролируемого воспроизведения напряженно-деформированных состояний, и может быть использована для метрологического обеспечения (поверки/калибровки) бесконтактных средств измерений деформации и перемещений, а также устройств, применяемых для дефектоскопии, в том числе, на основе спекл-интерферометрии.
Из уровня техники известно деформируемое зеркало, обеспечивающее возможность локально изменять фазу отраженного излучения и содержащее зеркальную поверхность и ряд расположенных позади нее толкателей, оснащенных пьезодвигателями, которые позволяют деформировать зеркальную поверхность с высокой степенью точности (см. патент ЕР 1923730, кл. G02B 26/06, опубл. 21.05.2008). Основными недостатками известного устройства являются небольшой диапазон перемещений отражающей поверхности и наличие гистерезиса при управлении пьезодвигателями. Кроме того, устройство предназначено для изменения волнового фронта падающего излучения и ввиду гладкой структуры поверхности с его помощью невозможно проводить калибровку спекл-интерферометров по причине отсутствия спекл-структур на такой поверхности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство воспроизведения напряженно-деформированных состояний, содержащее корпус, съемную мембрану, воздействующий на нее шток, и соединенное с ним рычажной передачей средство перемещения указанного штока в виде микрометрического винта, (Журавлев О.А., Комаров С.Ю., Сергеев Р.Н. Нагрузочное устройство для тестирования мобильных цифровых спекл-интерферометров деформационных перемещений // Вестник СамГУ. 2013. №9/2 (110). С. 87-96). Основными недостатками этого устройства являются высокое усилие, создаваемое микрометрическим винтом на мембрану, которое снижает точность задания смещения, а также наличие неконтролируемых ошибок при перемещении элементов конструкции, в том числе, из-за невозвратной деформации материала мембраны.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание надежной и удобной в использовании меры воспроизведения напряженно-деформированных состояний. Технический результат заключается в повышении точности воспроизведения напряженно-деформированных состояний. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в устройстве воспроизведения напряженно-деформированных состояний, содержащем корпус, съемную мембрану, воздействующий на нее шток, и средство перемещения указанного штока, соединенное с ним рычажной передачей, мембрана закреплена посредством прижимной шайбы, по всему периметру прижимающей ее к корпусу, а шток установлен в направляющей, жестко закрепленной внутри корпуса перпендикулярно плоскости мембраны вдоль оси прижимной шайбы. Средство перемещения штока предпочтительно выполнено в виде микрометрического винта, ось которого параллельна оси штока. Со стороны мембраны шток предпочтительно снабжен наконечником в виде шарика. Противоположный от мембраны конец штока предпочтительно оборудован стеклянным переходником с отполированной плоской контактной поверхностью, перпендикулярной оси штока, а на корпусе установлен кронштейн для установки, по меньшей мере, одной измерительной головки, обеспечивающей возможность взаимодействия щупа этой головки со стеклянным переходником штока.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого устройства;
на фиг. 2 - его вид со стороны мембраны;
на фиг. 3 - продольный разрез А-А по фиг. 2.
Предлагаемое устройство представляет собой массивный корпус 1, к которому при помощи как минимум восьми винтов 2 и массивной шайбы 3 прижимается круглая съемная мембрана 4. Мембрана 4 надежно фиксируется по всему периметру и центрируется относительно прижимной шайбы 3 по пазам и штифтам. Для применения устройства со спекл-интерферометрами необходима возможность использовать его со сменными мембранами 4, которые обладают различными свойствами поверхности, имитирующими характеристики реального объекта измерений (шероховатость и волнистость поверхности; наличие дефектов, раковин и отверстий; толщина и модуль упругости материала; твердость поверхности).
Внешняя сторона мембраны 4 является рабочей для проведения поверки/калибровки средств измерений, а на внутреннюю воздействует стальной шток 5 с наконечником 6 в виде стального закаленного шарика (в этом случае касание мембраны 4 происходит в одной точке). Шток 5 установлен в направляющей 7, которая жестко закреплена в корпусе вдоль оси прижимной шайбы 3. При перемещении шток 5 поперчено деформирует мембрану 4, тем самым воспроизводя поле деформаций на ее внешней стороне. Корпус 1 вместе направляющей 7 и шайба 3 выполняются на одном токарном процессе при изготовлении меры, что позволяет использовать шайбу 3 как базовую поверхность для точного нахождения точки приложения усилия с внешней стороны мембраны 4. Таким образом, происходит центрирование всех основных элементов конструкции на одной оси, что впоследствии позволяет осуществлять двойной контроль деформируемой мембраны 4 и дает возможность оценить дополнительные деформации, связанные с внутренним сжатием материала мембраны 4 и штока 5. Это техническое решение повышает точность и дает возможность использовать дополнительные измерительные устройства для передачи единицы измерений деформации (сдвига) в точке нагружения.
Усилие для деформации мембраны 4 создается средством перемещения в виде параллельного штоку 5 прецизионного микрометрического винта 8 и передается к штоку через рычажный привод 9. Микрометрические винты, как правило, имеют нормированную предельную нагрузку, которую можно прикладывать к оси перемещений, при которой в процессе вращения винта сохраняются точностные характеристики микроподачи. Это условие необходимо для минимизации люфтов винта 8, а также для предотвращения деформации резьбы и плавной работы механизма. Использование в конструкции рычажного привода 9 позволяет уменьшить усилие на резьбе микрометрического винта 8, а также регулировать поперечную деформацию мембраны 4 с меньшим шагом, что особенно важно для повышения точности воспроизведения ее деформации.
Противоположный от мембраны конец штока 5 оборудован стеклянным переходником 10 с отполированной плоской контактной поверхностью (с высокими требованиями плоскостности и шероховатости), перпендикулярной оси штока 5. Контактная поверхность стеклянного переходника 10 является базовой поверхностью для измерения перемещения штока 5. Для контроля перемещения штока 5 на корпусе 1 установлен кронштейн 11 для установки измерительной головки 12 (механический измеритель перемещений линейного сдвига - индикатор часового типа), обеспечивающей возможность взаимодействия щупа этой головки со стеклянным переходником 10. Измерительная головка 12 находится на одной оси со штоком 5. Устройство обеспечивает возможность установки и большего числа измерительных головок 12 на одной оси со штоком 5, что обеспечивает возможность дополнительного контроля деформируемой мембраны 4 и позволяет проводить поверку или калибровку меры при помощи других, сторонних средств измерений и позиционировать их относительно деформированной мембраны 4 с высокой точностью.
Поскольку трение щупа головки 12 о микронеровности может приводить к биениям и скачкам показаний при измерениях, контактная поверхность штока 5 должна соответствовать высоким требованиям, что особенно важно при воспроизведении малых деформаций материала, сопоставимых с наружными шероховатостями изделия, которые могут доходить до десятков микрометров. Наличие в конструкции устройства стеклянного переходника 10 позволяет контактировать штоку 5 с контрольной измерительной головкой 12 по плоской ровной поверхности, шероховатость и волнистость которой не будут влиять на показания измерений головки 12 во время перемещений. Для этих целей в качестве стеклянного переходника 10 может быть использована мера плоскостности с нормированными характеристиками поверхности. Это техническое решение позволяет добиться точности измерений деформации мембраны, которая превышает значения высоты микронеровности деталей, из которых изготовлена мера.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Усилие деформации задается поворотом микрометрического винта 8, который через рычажный привод 9 перемешает шток 5, деформирующий мембрану 4. Величина перемещения штока 5 контролируется показаниями измерительной головки 12.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет значительно повысить точность и стабильность воспроизведения напряженно-деформированных состояний, расширить диапазон воспроизведения смещения и обеспечивает возможность испытывать различные материалы, что позволяет использовать его для настройки, калибровки и поверки бесконтактных оптических приборов в оптической электронной спекл-интерферометрии, где перемещения и деформации изделий имеют значения порядка нескольких микрометров.