УГЛОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ МАШИНА ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ

Углоизмерительная машина повышенной точности относится к измерительной технике, в частности к области измерений механических и геометрических параметров объектов. Известен полученный ранее автором патент на установку для контроля погрешности углоизмерительных структур типа растров, лимбов, кодовых дисков (см. Патент РФ на полезную модель №94694 «Углоизмерительная установка», авт. Кирьянов А.В., опубл. 10.11.2011 г., бюлл. №31). Эта углоизмерительная установка содержит головку считывания данных с контролируемых углоизмерительных структур, шпиндель с вертикальной осью вращения и оправкой, на которой устанавливается носитель с контролируемой углоизмерительной структурой, и референтный (эталонный) датчик углового положения, размещенные с одной стороны шпинделя, а также двигатель вращения и противовес с имитатором носителя угловой структуры, размещенные с другой стороны шпинделя. Запатентованная конструкция углоизмерительной установки предназначалась для повышения точности измерения отклонений в пространственном расположении штрихов (окон) контролируемых объектов - углоизмерительных структур за счет того, что устраняются угловые качания оси, обусловленные наличием дисбаланса центра масс изделий, установленных на роторе шпинделя углоизмерительной установки. Достигается это за счет того, что с помощью противовеса и имитатора носителя углоизмерительной структуры эквивалентный центр масс ротора и присоединенных к нему узлов и деталей смещается в окрестность центра симметрии аэростатического подшипника шпинделя.
Данное техническое решение углоизмерительной установки взято за прототип.
Однако, данное техническое решение не свободно от недостатков, например, оно не устраняет составляющую погрешности измерений, обусловленную искажением идеальной круговой траектории сканирования контролируемой углоизмерительной структуры из-за действия остаточного дисбаланса.
Известно техническое решение углоизмерительной установки (см. Кирьянов В.П., Кирьянов А.В., Чуканов В.В. «Использование дифференциального метода измерений для контроля точности прецизионных углоизмерительных структур» // Автометрия, 2016, т. 52, №4, стр. 45–52), в котором с помощью рабочего (вспомогательного) датчика углового положения выявляется искажающий вклад измерительной установки в результат измерения погрешности контролируемой углоизмерительной структуры. При этом результат искажений, зарегистрированный для измерительного рабочего (вспомогательного) растра, переносится на искажения результатов контроля погрешности контролируемой углоизмерительной структуры. Однако, для углоизмерительной установки, анализируемой в данном первоисточнике это справедливо не всегда. В ситуациях, когда ось ротора совершает угловые качания относительно некоторого центра, возникает дополнительная погрешность измерений, обусловленная несоблюдением принципа компарирования Аббе. Но в тех случаях, когда ось претерпевает отклонения от исходного положения параллельно сама себе дополнительная погрешность из-за нарушения принципа компарирования Аббе отсутствует. Подобный случай имеет место, когда эквивалентный центр масс ротора шпинделя вместе с присоединенными к нему узлами и деталями оказывается в окрестностях центра симметрии аэростатического подшипника шпинделя, как это выполнено в указанном выше патенте. То есть, в конструкции патентуемой углоизмерительной машины предлагается использовать техническое решение, характерное для установки, взятой выше в качестве прототипа. Таким образом, измерение погрешности контролируемой углоизмерительной структуры может выполняться с минимальными искажениями, если в конструкции углоизмерительной машины использовать одновременно оба указанных выше подхода.
Однако, техническая реализация углоизмерительной установки, рассмотренной в указанном первоисточнике [Кирьянов В.П., Кирьянов А.В., Чуканов В.В. «Использование дифференциального метода измерений для контроля точности прецизионных углоизмерительных структур» // Автометрия, 2016, т. 52, №4, стр. 45-52)], оказывается чрезмерно усложненной из-за необходимости использования двух независимых (с отдельными измерительными растрами) датчиков углового положения, устанавливаемых на общий ротор шпинделя.
Перед автором стояла задача разработать конструкцию углоизмерительной машины, свободную от указанных недостатков в рассмотренных выше известных конструкциях углоизмерительных установок и обеспечивающую меньшие материальные затраты на ее изготовление и эксплуатацию при сохранении исходных высоких метрологических показателей. С этой целью предлагается реализовать функции рабочего (дополнительного) датчика, необходимого для возможности применения упомянутого выше дифференциального метода считывания, путем использования одной головки из числа позиционно-считывающих головок референтного (эталонного) датчика и дополнительного формирователя квадратур для выбранной головки, как и в канале референтного датчика. В таком варианте потребуется единственный измерительный растр. При этом позиционно-считывающие головки референтного датчика устанавливают таким образом, чтобы выбранная головка находилась на одной вертикали и в одной диаметральной плоскости со считывающей измерительной головкой машины. В этом случае, при каждом единичном отсчете углового положения контролируемой структуры в результатах измерений выходных сигналов обеих головок (выбранная и считывающая измерительная) будут присутствовать одинаковые (равные по величине) составляющие погрешности углоизмерительной машины, вызванные различными дестабилизирующими факторами. Однако, в выходном сигнале референтного датчика эта погрешность практически отсутствует, поскольку угловое положение измерительного растра в нем определяется с высокой точностью по сравнению с измерением единичной выбранной головкой. Это достигается применением в референтном датчике нескольких пар позиционно-считывающих головок по известному принципу путевого усреднения. Поэтому, разница между величинами выходных сигналов выбранной головки, выполняющей функции рабочего датчика при использовании дифференциального считывания, и референтного датчика характеризует погрешность самой углоизмерительной машины. Если полученную разницу вычесть из выходного сигнала измерительной головки, считывающей сигналы от контролируемой структуры, то получим результат измерения контролируемой структуры вне зависимости от погрешностей самой углоизмерительной машины и определяющийся только параметрами референтного (эталонного) датчика. Чтобы иметь возможность проводить указанные математические операции в управляющем процессоре (контроллере) углоизмерительной машины, сигналы считывающих головок референтного датчика предварительно обрабатываются в двух формирователях квадратур.
Технический эффект заявляемого технического решения заключается в сокращении материальных затрат на изготовление и эксплуатацию углоизмерительной машины при сохранении ее высоких метрологических показателей.
На фиг. 1. представлена схема предлагаемой углоизмерительной машины, где 1 – считывающая измерительная головка, 2 – контролируемая углоизмерительная структура, 3 – предметный столик (планшайба), 4, 8 – позиционно-считывающие головки, 5 – аэростатический шпиндель углоизмерительной машины, 6 – двигатель вращения ротора шпинделя, 7 – измерительный растр референтного (эталонного) датчика, 9 – формирователь квадратур референтного датчика, 10 - формирователь квадратур сигналов головки 4 референтного датчика, 11 – контроллер углоизмерительной машины, 12 – противовес, 13 – имитатор носителя контролируемой системы.
Заявляемая углоизмерительная машина содержит аэростатический шпиндель 5 с вертикальной осью вращения, ротор которого приводится во вращение двигателем 6. На верхнем фланце ротора устанавливается предметный столик (планшайба) 3, на котором размещают контролируемый объект 2, в частности, углоизмерительную структуру, угловое положение штрихов которой определяется с помощью считывающей измерительной головки 1. Над шпинделем, в непосредственной близости от контролируемого объекта 2 установлен референтный датчик углового положения, состоящий из измерительного растра 7 и позиционно-считывающих головок 4 и 8. На фиг. 1 представлено, что позиционно-считывающие головки референтного датчика установлены вокруг измерительного растра 7 равномерно через каждые 45°. Это позволяет подавить действие ряда факторов и с высокой точностью синтезировать с помощью формирователя квадратур 9 и контроллера 11 сетку угловых меток. При этом одну из позиционно-считывающих головок референтного датчика, обозначенную на фиг. 1 номером 4, устанавливают в позиции, при которой она оказывается на одной вертикали и в одной диаметральной плоскости со считывающей измерительной головкой 1 углоизмерительной машины. Из теории угловых датчиков известно, что каждая в отдельности позиционно-считывающая головка формирует выходной сигнал, содержащий в себе искажающий вклад от неточности изготовления измерительного растра, от неточности траектории сканирования растра (как от эксцентриситета установки его на ось вращения, так и от воздействия дисбаланса ротора и от биений подшипников ротора). В то время, как формирование из выходных сигналов всех позиционно-считывающих головок, установленных с равным шагом вдоль образующей измерительного растра, одного общего сигнала позволяет за счет действия т.н. путевого усреднения (см. В.Ф. Ионак, Приборы кинематического контроля // М.: Машиностроение, 1981) подавить действие ряда дестабилизирующих факторов и повысить точность измерения угла поворота.
Таким образом, в предлагаемой углоизмерительной машине использовано устройство балансировки в целом всех вращающихся элементов машины и применен метод дифференциального измерения при обработке сигналов с позиционно считывающих головок. Это позволило обеспечить высокую точность измерения параметров контролируемых углоизмерительных структур. При этом использование единственного измерительного растра значительно упрощает изготовление и использование предлагаемой углоизмерительной машины.