УГЛОИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ МАШИНА

Полезная модель углоизмерительной машины (УИМ) относится к измерительной технике, в частности к области измерений механических и геометрических параметров объектов.
Известен способ измерения отклонений положений штрихов в измерительных шкалах, растрах, лимбах, кодовых дисках и т.д., называемых обобщённо как углоизмерительные структуры (УИС), который реализует дифференциальный метод измерения отклонений положений штрихов от их идеального расположения (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). Технически для этого в устройстве, реализующем данный метод измерений, использовался шпиндельный узел специальной конструкции (см. патент РФ №83133 на полезную модель «Шпиндельный узел», авторы Кирьянов В.П., Кирьянов А.В.), содержащий аэростатический шпиндель, предметный столик (планшайбу) для установки контролируемого объекта и два угловых датчика: рабочий и референтный. При этом в рабочем угловом датчике используется только одна позиционно-считывающая головка, установленная в одной плоскости со считывающей измерительной головкой УИМ, используемой для снятия информации с контролируемого объекта, размещённого на предметном столике УИМ. При считывании данных с контролируемой УИС с помощью считывающей измерительной головки УИМ результат измерений содержит суперпозицию погрешностей измерения, обусловленных:
а) погрешностью изготовления данного контролируемого растра,
б) погрешностью задания референтных угловых меток от референтного датчика УИМ,
в) погрешностью от смещения контролируемого растра относительно считывающей головки УИМ из-за паразитных движений оси ротора шпинделя, обусловленных остаточным дисбалансом вращающихся частей шпиндельного узла,
г) неточностью изготовления ротора шпинделя,
д) отклонением траектории сканирования контролируемого растра считывающей измерительной головкой УИМ из-за неточной установки (эксцентриситета) контролируемого растра относительно оси вращения ротора шпинделя.
Из всего набора погрешностей для оценки качества контролируемого объекта интерес представляет только составляющая «а», остальные - относятся к искажающим, дестабилизирующим факторам.
Аналогичный результат получается при считывании данных с рабочего растра с помощью его единичной позиционно-считывающей головки.
3
Считывание данных с референтного растра с помощью нескольких позиционно-считывающих головок, работающих параллельно, позволяет за счёт т.н. принципа путевого усреднения (см. В.Ф. Ионак, Приборы кинематического контроля // М.: Машиностроение, 1981) подавить вклады ряда гармоник кривой погрешности референтного растра. Например, для случая 8-ми считывающих головок будет подавлено действие всех (2 -1) первых гармоник (т.е. первых 7-ми гармоник), всех последующих нечётных гармоник, а также ряда последующих чётных, номера которых образованы умножением 2, 4 и 8 на все нечётные числа. Следствием этого является повышение точности задания текущего значения угла поворота.
Для того чтобы иметь возможность отделить собственную погрешность изготовления контролируемого растра от сопутствующих (дестабилизирующих) составляющих, вносимых измерительной установкой (УИМ), при использовании дифференциального метода предварительно измеряют погрешность изготовления рабочего растра. При этом файл данных, содержащий информацию об угловой погрешности рабочего растра, измеряют с помощью дополнительного измерительного средства и затем фиксируют в памяти компьютера, управляющего работой измерительной установкой.
Для получения информации о погрешности изготовления контролируемого объекта последний устанавливают на планшайбе ротора, тщательно балансируют ротор шпинделя вместе с предметным столиком и объектом контроля и производят одновременное измерение пространственного положения штрихов контролируемого и рабочего растров относительно штрихов референтного растра. Затем сравнивают результат измерения рабочего растра с результатом, хранящимся в памяти компьютера. Разность результатов измерения пространственного положения штрихов рабочего растра характеризует искажающий вклад измерительной установки в результат единичного измерения положения штрихов рабочего растра. Этот вклад включает в себя погрешность задания меток от референтного датчика, погрешность от смещения рабочего растра относительно его считывающей головки из-за паразитных движений оси ротора шпинделя, обусловленных остаточным дисбалансом вращающихся частей шпиндельного узла. Составляющие погрешности от неточности изготовления ротора шпинделя и из-за отклонения от идеальной траектории сканирования рабочего растра головкой, обусловленной наличием эксцентриситета рабочего растра относительно оси вращения ротора шпинделя учитываются в файле данных, зафиксированных в памяти управляющего компьютера.
Если считывающая измерительная головка УИМ и позиционно-считывающая головка рабочего датчика находятся в одной плоскости, то выделенные причины действуют в равной мере и на контролируемый растр и, соответственно, искажают результат измерений. Поэтому полученная разность характеризует дестабилизирующий вклад УИМ. И для его компенсации полученную разность вычитают из результатов измерения положения штрихов контролируемого растра.
К недостаткам известной УИМ, реализующей указанный дифференциальный метод измерения, относится необходимость использования двух угловых датчиков, устанавливаемых по обе стороны относительно шпинделя установки, что существенно удорожает изготовление и эксплуатацию УИМ. Техническая реализация указанного дифференциального метода измерения в составе УИМ, использующей шпиндельный узел специальной конструкции (см. патент РФ №83133 на полезную модель «Шпиндельный узел», авторы Кирьянов В.П., Кирьянов А.В.), содержащий аэростатический шпиндель, предметный столик (планшайбу) для установки контролируемого объекта и два угловых датчика: рабочий и референтный - взята за прототип.
Автором ставилась задача разработать конструкцию УИМ, свободную от указанных недостатков известной конструкции УИМ и обеспечивающую меньшие материальные затраты на изготовление и эксплуатацию УИМ при сохранении её исходных высоких метрологических показателей.
Поставленная задача решается тем, что оба угловых датчика УИМ: референтный и рабочий - реализованы на основе комбинированного углового датчика, использующего общий измерительный растр, при этом считывающая головка рабочего датчика может входить в состав считывающих головок референтного датчика.
Технический эффект заявляемого технического решения заключается в сокращении материальных затрат на изготовление и эксплуатацию УИМ при сохранении её высоких метрологических показателей.
На фиг.1. представлена схема УИМ с комбинированным угловым датчиком, где 1 - считывающая измерительная головка УИМ, 2 - контролируемая УИС, 3 - предметный столик (планшайба), 4 - позиционно-считывающая головка рабочего датчика, 5 - аэростатический шпиндель УИМ, 6 - двигатель вращения ротора шпинделя, 7 - измерительный растр комбинированного датчика, 8 - позиционно-считывающие головки референтного датчика, 9 - формирователь квадратур референтного датчика, 10 - формирователь квадратур рабочего датчика, 11 - контроллер УИМ.
Заявляемая углоизмерительная машина (УИМ) работает следующим образом. Предлагаемая УИМ 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 - углоизмерительную структуру (УИС). Угловое положение штрихов УИС определяется с помощью считывающей головки 1 УИМ. В непосредственной близости от контролируемого объекта 2 установлен комбинированный угловой датчик, состоящий из измерительного растра 6 и позиционно-считывающих головок 4 и 8. При этом комбинация позиционно-считывающей головки 4 и измерительного растра 6 образуют рабочий датчик, а комбинация позиционно-считывающих головок 8 и измерительного растра 6 образуют - референтный датчик. На фиг.1 представлено, что восемь позиционно-считывающих головок, образующих референтный датчик, установлены вокруг измерительного растра 6 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. Позиционно-считывающая головка, обозначенная на фиг.1 номером 4, входящая в состав как рабочего, так и референтного датчиков, устанавливают в позиции, при которой она оказывается в одной плоскости со считывающей головкой 1 УИМ. Из теории угловых датчиков известно, что каждая в отдельности 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 счёт действия т.н. путевого усреднения подавить действие ряда дестабилизирующих факторов и повысить точность измерения угла поворота. Если при этом регистрировать отдельно результат измерений, получаемый с помощью считывающей головки 4 и формирователя квадратур 10, то он будет полностью тождественен выходному сигналу рабочего датчика прототипа, в то время как синтезированный из выходных сигналов головок 4 и 8 формирователем 9 выходной сигнал будет полностью тождественен выходному сигналу референтного датчика прототипа.
Таким образом, предлагаемая конструкция комбинированного углового датчика позволяет обеспечить высокую точность контроля УИС при заметном сокращении материальных затрат на изготовление и эксплуатацию УИМ.