ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
LINEAR DISPLACEMENT TRANSDUCER

Изобретение относится к измерительной технике, точнее к области измерения линейных размеров объектов и линейных перемещений фотоэлектрическими преобразователями перемещения (датчиками) на базе дифракционных решеток, и может быть использовано в машиностроении, станкостроении, оптико-механической и аэрокосмической промышленности, для измерения концевых мер, а также во всех высокотехнологических (в том числе и нано) отраслях.
Известен датчик линейных перемещений (в дальнейшем ДЛП) [1] для измерения линейных размеров объектов и линейных перемещений, содержащий измерительную линейку (измерительную дифракционную решетку) со штрихами и считывающую головку, имеющую источник излучения, коллиматор, индикаторную решетку, матрицу фотоприемников и жестко с ней связанную группу подшипников для ее перемещения относительно измерительной линейки, содержащую жестко установленные опорные и подпружиненные подшипники, расположенные с двух сторон подложки и вне поля действия индикаторной и измерительной дифракционных решеток.
Устройство работает следующим образом.
При перемещении считывающей головки во время определения линейных размеров объекта индикаторная решетка смещается относительно измерительной решетки. Коллимированный пучок излучения, генерируемый источником излучения, жестко связанным со считывающей головкой, падает на индикаторную и измерительную решетки. В поле интерференционных полос, образующихся за решетками, устанавливается матрица фотоприемников, которая преобразует распределение интенсивности интерференционных полос в электрические сигналы. Эти сигналы поступают затем в блок электроники, где с помощью компаратора формируются счетные импульсы, по которым определяется линейный размер объекта.
Подпружиненные подшипники, позволяющие, с одной стороны, сохранять необходимый постоянный зазор между решетками, а с другой стороны, оказывают давление на стеклянную подложку, на которой расположена измерительная дифракционная решетка, приводят к определенной ее деформации, а следовательно, к ухудшению точностных характеристик самой дифракционной решетки и, в конечном счете, к уменьшению точности датчика линейных перемещений.
Необходимость перемещения индикаторной решетки вдоль некоторой оси, строго перпендикулярной штрихам измерительной решетки, ставит определенные условия к точности изготовления направляющей, с помощью которой перемещается считывающая головка с индикаторной решеткой (в данном случае внешняя направляющая). Как правило, такие направляющие весьма сложны в изготовлении, и на них необходимо затратить очень много времени и средств.
Из известных ДЛП наиболее близким по технической сути является ДЛП [2], содержащий измерительную дифракционную решетку и считывающую головку, имеющую источник излучения, коллиматор, индикаторную решетку, матрицу фотоприемников, две группы опорных подшипников для перемещения считывающей головки относительно измерительной решетки и жестко с ней связанные, а индикаторная решетка расположена со стороны и в пределах апертуры измерительной решетки, и она содержит подложку, имеющую базовую и обратную поверхности и стеклянную направляющую с базовой и обратной поверхностями, причем измерительная решетка расположена на базовой поверхности подложки так, что ее штрихи перпендикулярны направлению перемещения, а стеклянная направляющая жестко присоединена к торцу подложки перпендикулярно штрихам измерительной решетки, и измерительная решетка обладает осью, перпендикулярной к своим штрихам, расположена в пределах ее апертуры и параллельна направлению перемещения считывающей головки, и первая группа подшипников обеспечивает зазор между индикаторной и измерительной решеткой и состоит из трех подшипников, установленных с возможностью перемещения по базовой поверхности подложки, два из которых расположены с одной стороны измерительной решетки, на линии, параллельной оси измерительной решетки и вдоль направления перемещения считывающей головки, а третий подшипник - с другой стороны измерительной решетки, и они обеспечивают зазор между считывающей головкой и базовой поверхностью стеклянной направляющей, а другая группа опорных подшипников состоит из двух подшипников, установленных с возможностью перемещения, по базовой поверхности стеклянной направляющей и расположены на ее базовой поверхности со стороны измерительной решетки и на линии, параллельной ее оси, и направляющая жестко присоединена к торцу подложки, который перпендикулярен штрихам измерительной решетки, и длина направляющей не меньше измеряемого перемещения.
Устройство работает следующим образом.
При перемещении считывающей головки во время определения линейных размеров объекта индикаторная решетка смещается относительно измерительной решетки. Коллимированный пучок излучения, генерируемый источником излучения, жестко связанным со считывающей головкой, падает на индикаторную и измерительную решетки. В поле интерференционных полос, образующихся за решетками, устанавливается матрица фотоприемников, которая преобразует распределение интенсивности интерференционных полос в электрические сигналы. Эти сигналы поступают затем в блок электроники, и по ним определяется линейный размер объекта.
Опорные подшипники, жестко связанные с индикаторной решеткой, и подпружиненные подшипники позволяют сохранять постоянный зазор между решетками, обеспечивая, тем самым, работоспособность датчика на всем протяжении измерения линейного размера объекта независимо от качества направляющих устройства, к которому закреплен линейный датчик, но они ухудшают качество подложки измерительной линейки и стеклянной направляющей из-за давления на них подпружиненных подшипников.
В данном случае в качестве направляющей, по которой перемещается считывающая головка, используется не направляющая внешнего устройства, к которому прикреплен датчик, а вновь созданная (собственная) направляющая, не меньше линейного размера измеряемого объекта, и она изготовлена в виде стеклянной направляющей, жестко прикрепленной к подложки измерительной дифракционной решетки.
Подпружиненные подшипники, обладающие более сложной конструкцией, нежели опорные, подвергаются засорению, приводящему к появлению боя и ухудшению точностных характеристик датчика.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка датчика линейных перемещений, позволяющего повысить его точность, упростить конструкцию и уменьшить габариты.
Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом устройстве ДЛП, содержащем измерительную дифракционную решетку и считывающую головку, имеющую источник излучения, коллиматор, индикаторную решетку, матрицу фотоприемников, две группы опорных подшипников для перемещения считывающей головки относительно измерительной решетки, жестко с ней связанные, а индикаторная решетка расположена со стороны и в пределах апертуры измерительной решетки, а измерительная решетка содержит подложку, имеющую базовую и обратную поверхности, и стеклянную направляющую с базовой и обратной поверхностями, причем измерительная решетка расположена на базовой поверхности подложки так, что ее штрихи перпендикулярны направлению перемещения, а стеклянная направляющая жестко присоединена к торцу подложки, перпендикулярно штрихам измерительной решетки, и измерительная решетка обладает осью, перпендикулярной к своим штрихам, расположена в пределах ее апертуры и параллельна направлению перемещения считывающей головки, и первая группа подшипников обеспечивает зазор между индикаторной и измерительной решеткой и состоит из трех подшипников, установленных с возможностью перемещения по базовой поверхности подложки, два из которых расположены с одной стороны измерительной решетки на линии, параллельной оси измерительной решетки и вдоль направления перемещения считывающей головки, а третий подшипник - с другой стороны измерительной решетки, и они обеспечивают зазор между считывающей головкой и базовой поверхностью стеклянной направляющей, а другая группа опорных подшипников состоит из двух подшипников, установленных с возможностью перемещения по базовой поверхности стеклянной направляющей и расположеных на ее базовой поверхности со стороны измерительной решетки и на линии, параллельной ее оси, и направляющая жестко присоединена к торцу подложки, который перпендикулярен штрихам измерительной решетки, и длина направляющей не меньше измеряемого перемещения, дополнительно введен один опорный подшипник в первой группе опорных подшипников, жестко связанный со считывающей головкой и установленный со стороны измерительной решетки, на линии, где расположен третий подшипник этой группы, и в считывающую головку введены две группы магнитов, жестко с ней связанные, и три металлических ленты, две из которых жестко связаны с базовой поверхностью подложки, а третья жестко связана с базовой поверхностью стеклянной направляющей, примыкающей к базовой поверхности подложки, причем первая группа магнитов состоит двух пар магнитов, и обе пары установлены на считывающей головке со стороны базовой поверхности подложки измерительной решетки, попарно на прямой, параллельной ее оси и вне ее апертуры и апертуры индикаторной решетки и опорных подшипников считывающей головки и на одинаковом расстоянии от базовой поверхности подложки, причем первая пара магнитов расположена с одной стороны измерительной решетки, а вторая пара этой же группы установлена с другой стороны измерительной решетки, симметрично относительно первой, а вторая группа магнитов состоит из двух магнитов, установленных на считывающей головке со стороны базовой поверхности стеклянной направляющей, и имеют к ней выход и расположены на прямой, параллельной ее оси и вне апертуры опорных подшипников считывающей головки, установленных со стороны базовой поверхности измерительной решетки и на одинаковом расстоянии от нее, и три металлические ленты, установленные своим наибольшим размером параллельно оси измерительной решетки, напротив каждой соответствующей пары магнитов, причем длины металлических лент равны линейному размеру подложки и стеклянной направляющей и две из них жестко связаны с базовой поверхностью подложки измерительной решетки и расположены с двух ее сторон, параллельно ее оси, а третья металлическая лента параллельна оси измерительной решетки и расположена в апертуре пары магнитов второй группы, причем магниты и металлические ленты имеют возможность создания силы притяжения считывающей головки к подложке и стеклянной направляющей, обеспечивая контакт опорных подшипников с подложкой измерительной дифракционной решетки и стеклянной направляющей, и между магнитами и металлическими лентами имеется воздушный зазор, обеспеченный опорными подшипниками и дающий возможность перемещения считывающей головки вдоль оси измерительной дифракционной решетки.
На чертеже изображен конкретный пример конструктивного решения заявляемого устройства датчика линейных перемещений (ДЛП) для измерения линейных размеров объектов и линейных перемещений и дан вид этого устройства. Он содержит подложку 1 с измерительной дифракционной решеткой 2, расположенной на ее базовой поверхности 3. Подложка содержит также обратную поверхность 4 и стеклянную направляющую 5 с базовой поверхностью 6 и обратной поверхностью 7, считывающую головку 8, имеющую источник излучения 9, коллиматор 10, индикаторную решетку 11, матрицу фотоприемников 12, две группы опорных подшипников 13, 14, 15, 16 и 17, 18 для перемещения считывающей головки 8 относительно измерительной решетки 2 и обеспечивающих контакт опорных подшипников 13÷18 с базовыми поверхностями подложки дифракционной решетки 3 и стеклянной направляющей 6 соответственно. Стеклянная направляющая 5 жестко присоединена к торцу 19 подложки 1. ДЛП содержит также магниты 20÷25, жестко связанные со считывающей головкой 8, и металлические ленты 26÷28, жестко связанные с базовыми поверхностями подложки 3 и стеклянной направляющей 6.
Устройство ДЛП работает следующим образом.
При перемещении считывающей головки 8, во время определения линейных размеров объекта вдоль измерительной решетки, индикаторная решетка 11 смещается относительно измерительной дифракционной решетки 2, расположенной на базовой поверхности 3 подложки 1 измерительной дифракционной решетки 2. Пучок излучения, генерируемый источником излучения 9, жестко связанный со считывающей головкой 8, формируемый коллиматором 10, проходит через индикаторную решетку 11 и измерительную дифракционную решетку 2.
В поле интерференционных полос, образующихся за решетками 11 и 2, устанавливается матрица фотоприемников 12, которая преобразует распределение интенсивности интерференционных полос в электрические сигналы. При смещении считывающей головки 8 во время определения линейного размера объекта индикаторная решетка 11 смещается относительно измерительной дифракционной решетки 2, и на выходах фотоприемников матрицы 12 формируются переменные электрические сигналы, сдвинутые по фазе на 90°. Эти сигналы поступают затем в блок электроники, и с помощью компаратора создаются счетные импульсы, по которым определяется линейный размер объекта. Причем контакт опорных подшипников 13÷16 (первой группы подшипников), жестко связанные с индикаторной решеткой 11, перемещающихся по базовой поверхности 3 подложки измерительной решетки 2, осуществляется за счет силы притяжения магнитов 26÷23 к металлическим лентам 26 и 27, позволяет сохранять постоянный зазор между решетками 2 и 11. Контакт опорных подшипников 17 и 18 (второй группы подшипников), также жестко связанных с индикаторной решеткой 11, перемещающихся по базовой поверхности 6 стеклянной направляющей 5, осуществляется за счет силы притяжения магнитов 24 и 25 к металлической ленте 28 и позволяет сохранять постоянный зазор между считывающей головкой и базовой поверхностью 6 стеклянной направляющей 5. Благодаря этим зазорам и расположению 1-ой и 2-ой групп опорных подшипников (13-18) и металлическим лентам (26-28) на линиях, параллельных оси измерительной дифракционной решетки, осуществляется свободное перемещение считывающей головки по направлению перемещения.
Отличительной особенностью заявляемого устройства является повышение точности, которое осуществляется за счет: устранения всех подпружиненных подшипников, необходимых в прототипе, для осуществления контакта считывающей головки, посредством опорных подшипников, с подложкой измерительной дифракционной решетки и подложкой стеклянной направляющей, приводящих к их деформации.
Отсутствие деформации подложек позволяет осуществить параллельное перемещение считывающей головки относительно оси измерительной дифракционной решетки в процессе перемещения, а следовательно, позволяет сохранить параллельность осей индикаторной и измерительной решеток. При сохранении этой параллельности интерференционные полосы, образующиеся за решетками, не меняют свой период, и сформированные матрицей фотоприемников переменные электрические сигналы имеют постоянный сдвиг по фазе в 90°, что позволяет, впоследствии, сформировать более точные счетные импульсы, благодаря которым определяется точнее линейный размер объекта или величина линейного перемещения.
К тому же подпружиненные подшипники ранее подвергались засорению, приводящему к появлению боя и ухудшению точностных характеристик датчика. Оставшиеся опорные подшипники засоряются меньше, т.к. близлежащие магниты притягивают от них магнитную пыль.
Отличительной особенностью устройства является также:
- введение новых узлов: магнитов и металлических лент из магнитомягкой стали с зазором между ними и играющих ту же роль, что и подпружиненные подшипники, но осуществляющих свое действие бесконтактно, с целью:
-сохранение постоянного зазора между плоскостями измерительной и индикаторной дифракционных решеток,
- сохранение взаимного расположения осей решеток во время перемещения. Раз приклеенные металлические ленты вдоль и параллельно оси измерительной решетки, то оси измерительной и индикаторной решеток, последняя из которых жестко связана со считывающей головой и с магнитами, останутся параллельными на всю длину перемещения этих магнитов вдоль металлических лент;
- получение стабильного прижатия подшипников к направляющим за счет магнитного поля между магнитами и магнитомягкими металлическими лентами. Бесконтактный прижим, полученный посредством магнитов и металлических лент, позволяет создать мягкий контакт опорных подшипников с базовой поверхностью подложки, на которой расположена измерительная решетка, и с базовой поверхностью стеклянной направляющей, по которой перемещается датчик. Эти дополнительные узлы напрямую связанны с качеством изготовления самого датчика и, следовательно, с его точностью,
- увеличение устойчивости считывающей каретки, в которой жестко закреплена индикаторная решетки, перемещающаяся по подложке измерительной дифракционной решетки за счет введения дополнительного опорного подшипника.
Кроме этого, в заявляемом ДЛП имеет место упрощение его конструкции, которая осуществляется за счет устранения подпружиненных подшипников, что позволяет устранить необходимость метрологической обработки обратной стороны поверхности подложки стеклянной направляющей, необходимой ранее для перемещения по ней подпружиненных подшипников, а также существенно уменьшить габариты считывающей головки, а следовательно, и самого датчика. Уменьшение габаритов ДЛП осуществляется из-за отсутствия подпружиненных подшипников, имеющих довольно большие габариты и сложную конструкцию, а также узлов, необходимых для их фиксации в считывающей головке.
Упрощение конструкции датчика позволит также осуществить его разборку и сборку при проведении профилактических работ по очистке датчика, в данном случае, имеющего меньшего количества подшипников.
Таким образом, данное устройство обеспечивает высокоточную работоспособность датчика во время линейного перемещения на всем протяжении измерения линейного размера объекта независимо от качества направляющего устройства, к которому закреплена подвижная часть ДЛП и позволяет устранить те недостатки, которые присущи аналогу и прототипу.
Литература
1. Digital Linear and angular Metrology for Machines and Devices, Alfonse Ernst, 1989, by Verlag Moderne Industrie A.G. & CO, p.30.
2. Датчик линейных перемещений. Турухано Б.Г., Турухано Н., Патент РФ № 2197713, 27.01.2003, БИ № 3.