ПОВЕРОЧНЫЙ КОМПЛЕКС КООРДИНАТНЫХ ПРИБОРОВ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
CALIBRATION COMPLEX OF COORDINATE INSTRUMENTS AND MEASUREMENT SYSTEMS

Изобретение относится к области геодезии и машиностроения и, в частности, к устройствам для поверок и калибровки координатных приборов и измерительных систем (КПиИС) (лазерных трекеров, сканеров, самонаводящихся электронных тахеометров и др.).
Известен интерференционный компаратор геодезический, состоящий из двух зеркал, установленных на специальных подставках параллельно друг другу, и двух микроскоп-микрометров, расположенных над ними. Между зеркалами устанавливается кварцевый жезл, длина которого (обычно 1,2 м) измерена на метрологическом компараторе интерференционном. Расстояние между крайними зеркалами (обычно 24 метра) определяется по известной длине жезла при помощи интерференции света, расстояние между осями микроскоп-микрометров и крайними зеркалами - из микрометрических измерений [1].
Известен оптико-механический компаратор для поверки линейных средств измерений, содержащий направляющую, по которой перемещается подвижная каретка со штриховой мерой и отражателем лазерного интерферометра. Оптико-механический компаратор представляет ряд бетонных столбов с установленными на них отвесно и в одной вертикальной плоскости микроскоп-микрометрами. Расстояния между осями микроскоп-микрометров измеряются при помощи жезла известной длины, перемещаемого вдоль компаратора на тележке по установленному под ними рельсовому пути. Сумма этих расстояний составляет длину компаратора. С этой длиной при помощи крайних микроскоп-микрометров сравниваются длины мерных приборов [2].
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату являются Универсальный метрологический геодезический комплекс и Универсальный метрологический геодезический стенд [3].
Недостатками указанных выше устройств являются:
- большая методическая погрешность измерения, связанная с необходимостью перестановки поверяемых КПиИС при исследовании метрологических характеристик;
- ограниченное количество поверяемых точек в диапазоне измерения координат;
- невозможность проверки короткопериодической погрешности КПиИС при определении координат Y и Z;
- невозможность определения координат в рабочем диапазоне измерения;
- невозможность с одной установки КПиИС проверить все метрологические характеристики;
Целью изобретения являются:
- повышение точности измерений при поверке КПиИС;
- расширение диапазона измерений и функциональных возможностей эталонного средства измерений.
Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, состоящее из ряда бетонных столбов с рельсами, на которых установлена каретка с эталонным инварным геодезическим жезлом и расположенными над рельсами отвесно и в одной вертикальной плоскости микроскоп-микрометрами, стендом для измерения горизонтальных углов с призмой-многогранником, расположенной на поворотном столе, двумя автоколлиматорами, опорным коллиматором и жезлом с калиброванными отверстиями, расстояние между которыми известно, микроскопами для исследования внутришаговой погрешности измерения расстояний и лазерным интерферометром дополнительно введены; двух координатная каретка с уголковыми отражателями лазерного интерферометра и поверяемого КПиИС, при этом пентапризма для поворота на 90° луча измерительного канала интерферометра, установленная на двух координатной каретке, жестко закреплена на каретке, перемещающейся по координате Y, а уголковый отражатель того же измерительного канала - на подвижной каретке, перемещающейся по координате Z, перемещение координатных кареток осуществляется двигателями с наперед заданным шагом, на изолированных фундаментах также расположены гнезда для установки уголкового отражателя поверяемого КПиИС, расстояния между ними известны.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема компаратора, на фиг.2 - схема двух координатного стенда КП, а на фиг.3 - схема сети для уравнивания результатов измерений.
Устройство содержит: эталонный геодезический жезл 1, расположенный на подвижной каретке 2; основные микроскопы 3 с микроскоп-микрометрами; калиброванные отверстия 4 дополнительного композитного жезла 5; микроскопы 6 с микроскоп-микрометрами для дополнительного жезла 5; поверяемый КПиИС 7; поворотный стол 8; эталонную призму-многогранник 9; автоколлиматоры 10 и 11; магнитные гнезда 12; систему плоских зеркал 13-17; уголковые отражатели 18 и 19; зеркала 20; направляющую 21; вертикально перемещаемый столик 22; контрольный дальномер 23; эталонный лазерный интерферометр 24; опорный блок 25 лазерного интерферометра 24; зеркало 26; уголковый отражатель 27 лазерного интерферометра; пентапризму 28, жестко закрепленную на каретке 53; подвижную каретку 29, уголковый отражатель (или маску) 31; ходовой винт 32; уголковый отражатель 33; подвижную каретку 34; уголковый отражатель 35; двигатели 36 и 37; уголковый отражатель 38; эталонный лазерный интерферометр 39; фундамент 40, опорный коллиматор 41; фундаменты 42; выключатели 43 для блокировки горизонтального перемещения (ось У) каретки 53, направляющие 44 для вертикального перемещения каретки 30; марки 45; выключатели 46 для остановки вертикального перемещения (ось Z) каретки 30, измерительный преобразователь 47, оправу 48, юстировочные винты 49, направляющие рельсы 50, наконечник 51, автоколлиматор для измерения вертикальных углов 52, каретку 53, ходовой винт 54.
Компаратор конструктивно представляет собой три, функционально объединенных, стенда (УГ - угловой горизонтальный измерительный стенд, ИР - стенд проверки измерения расстояний по оси X, КП - стенд проверки координат Y и Z), расположенные на отдельных изолированных фундаментах 40 и 42. Стенд УГ состоит из основания с прецизионным поворотным столом 8, на котором с противоположенных сторон относительно оси вращения стола установлены два, противоположно расположенных автоколлиматора 10 и 11. На планшайбе поворотного стола 8 соосно с осью его вращения закреплены оправа 48 эталонной призмы 24-х гранника 9, на которой располагается поверяемый прибор 7, и ось измерительного преобразователя 47. На оправе 48 призмы предусмотрены юстировочные винты 49 для центрирования поверяемого прибора при визировании на бесконечно удаленную точку (опорный длиннофокусный коллиматор 41) или на уголковые отражатели 18, 19 или 38. На основании также расположены винты для грубого перемещения и микро подачи поворотного стола.
Дальномерный блок состоит из системы прецизионных интерференционных зеркал 13÷17, позволяющих выполнять измерения на расстояниях до 200 м. На изолированных направляющих рельсах 50 установлена подвижная каретка 2, на которой при измерениях располагаются инварные жезлы. На отдельных фундаментах с интервалом в 3 метра закреплены девять неподвижных микроскоп-микрометров 3. На этих же фундаментах расположена направляющая 21 длиной 25 метров для установки и перемещения оправы с композитным жезлом 5 и три микроскопа 6 для позиционирования композитного жезла. На крайнем фундаменте 42 расположен регулируемый по высоте с помощью подъемного механизма столик 22, предназначенный для установки контрольного прибора 23 соосно с калиброванными отверстиями 4 композитного жезла 5.
Вдоль оправы композитного жезла 5 перемещается каретка 34 с уголковыми отражателями 33 и 35 и базирующим шарообразным наконечником 51.
Стенд КП состоит из лазерного интерферометра 24, горизонтальных направляющих, по которым с помощью ходового винта 32 перемещается вертикально расположенная каретка 47, на ней жестко закреплена поворотная на 90° пентапризма 28 измерительного канала лазерного интерферометра 24, кроме того, вертикальная каретка 47 содержит ходовой винт 41, с помощью которого перемещается в вертикальной плоскости каретка 47 с отражателями лазерного интерферометра 24 и поверяемого прибора 7.
Устройство работает следующим образом:
По эталонному жезлу 1, расположенному на подвижной каретке 2, выставляются микроскопы 3 и калибруется лазерный интерферометр 39, затем вместо эталонного жезла 1 на каретку 2 устанавливается дополнительный композитный жезл 5; по микроскопам 3 и лазерному интерферометру 39 через отражатель 38, жестко закрепленный на каретке 2, проверяются расстояния между соответствующими калиброванными отверстиями 4 дополнительного жезла 5, после чего дополнительный жезл 5 устанавливается в направляющей 21 и имеет возможность перемещаться с базированием по своим микроскопам 6 через зеркала 20, при этом контрольный дальномер 23, расположенный на подъемном столике 22, через отражатель 33, расположенный на подвижной каретке 34, отслеживает перемещение каретки 34; на каретку 2 снова устанавливается эталонный жезл 1; поверяемый координатный прибор 7 устанавливается на поворотном столе 8 блока для измерения горизонтальных и вертикальных углов (УГ), после горизонтирования и устранения эксцентриситета осей поверяемого прибора призма-многогранник 9 ориентируется противоположными гранями на автоколлиматоры 10 и 11, а ось измерительного канала поверяемого прибора ориентируется на опорный коллиматор 41 (для оптико-механических приборов) или отражатель 31 (для оптико-электронных координатных самонаводящихся приборов).
После ориентирования поверяемого прибора выполняется задание опорной системы координат XYZ: так как при поверке светодальномерного и интерферометрического дальномерных блоков измерения координатным поверяемым прибором выполняются без изменения координат Х и У (когда отсчеты по угломерным измерительным системам поверяемого прибора не изменяются), то ось измерительного канала поверяемого прибора 7 через зеркало 14 ориентируется на отражатель 18 и совпадает с осью эталонного жезла 1 и направлением перемещения каретки 2, перемещением каретки 2 задаются направлением оси X; для задания плоскости используется магнитное гнездо 12, расположенное на стенде УГ на уровне горизонта оси эталонного жезла 1; ось Z в ортогональной системе задается автоматически.
После задания системы координат XYZ выполняется поверка дальномерных блоков поверяемого прибора перемещением каретки 2 по направляющим 50 вдоль оси Х прямо и обратно и сравнением его отсчетов с уложением длины эталонного жезла и отсчетами по эталонному интерферометру 39 (в т.ч. выявляется внутришаговая (коротко периодическая или циклическая) погрешность измерения).
При поверке угловых измерительных систем поверяемого прибора система координат остается прежней, а измерительный канал поверяемого прибора сначала ориентируется на отражатель 19, расположенный на каретке 2 при ее положении, когда начальный штрих жезла 1 совпадает с сеткой микроскоп-микрометра первого микроскопа 3. Далее каретка 2 перемещается вдоль микроскопов 3 как при поверке координаты Х прямо и обратно, при этом ось измерительного канала поверяемого прибора постоянно направлена на отражатель 19. После этого отражатель 19 переносится по магнитные гнездам 12 и вычисляются расстояния между всеми микроскопами 3 (должны быть равны длине эталонного жезла) и марками 12 с учетом отклонений по осям XYZ. Для контроля сходимости результатов измерений и увеличения диапазона измерений выполняются измерения расстояний между марками 12 через зеркала 15 и 16, калиброванными отверстиями дополнительного жезла 5 через зеркало 17 или сравнение длины эталонного жезла через зеркало 13.
э
э
Длиннофокусный коллиматор 41 и марки 45 служат для привязки сети измерений по граням многогранника 9, исправления эксцентриситета осей при установке поверяемого прибора на стенде и периодического контроля результатов измерений. Аналогично выполняются измерения при ориентировании поверяемого прибора по другим граням призмы-многогранника 9. Для повышения точности измерений при известной длине эталонного геодезического жезла и количеством его уложений между точками 1÷8 проектируются при уравнивании результатов измерений геодезические полигоны, например, ABEGNQ, ABCDEGN и др. (см. Фиг.3).
Эталонный автоколлиматор 52 вместе с коллиматором 41 служат для поверки вертикальных измерительных систем оптических координатных приборов.
Для выявления коротко периодических погрешностей по осям У и Z служит стенд КП. Здесь используется дополнительный лазерный интерферометр 24, который отслеживает перемещение кареток одновременно по двум осям У и Z. При выявлении коротко периодических погрешностей угловых измерительных систем привязка может быть осуществлена как в ранее заданной системе координат, так и в самостоятельно заданной (в зависимости от задачи исследования). Привязка осуществляется с помощью марок 45 и уголкового отражателя поверяемого прибора, установленного в магнитном гнезде 12 стенда КП. Начальное положение каретки 30 может быть выбрано произвольно, например, в правом нижнем углу. Преимуществом здесь является то, что при поверке по двум координатам используется один лазерный интерферометр 24. При перемещении каретки 53 влево с помощью винта 32 двигателем 36 изменяется координата У, увеличивая длину измерительного канала лазерного интерферометра 24 по горизонтали, после останова каретки 53 подается команда на двигатель 37, который винтом 41 перемещает каретку 30 по оси Z, при этом увеличивается длина того же измерительного канала лазерного интерферометра, но только вдоль оси Z. Шаг перемещения кареток зависит от наперед заданной дискретности снятия отсчетов при выявлении коротко периодических погрешностей поверяемого прибора.