УСТРОЙСТВО БАЗИРОВАНИЯ МНОГОГРАННЫХ ПРИЗМ
POLYHEDRAL PRISM LOCATING DEVICE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в метрологии и приборостроении.
Наиболее трудоемкой и ответственной проверкой угломерных приборов и в частности, углозадающих поворотных столов, является определение погрешности измерения заданных значений угла. Проверка осуществляется путем сравнения измеренных горизонтальных углов поворота платформы испытуемого (поверяемого) стола с углами образцовой многогранной призмы. Схема измерения углов поворота платформы приведена [1].
Для реализации измерений необходимо соосно и без перекосов установить на платформе угломерного прибора образцовую многогранную призму ГОСТ 8.016-81. Автоколлиматор установить на общем массивном основании совместно с проверяемым прибором. Выставить автоколлиматор таким образом, чтобы автоколлимационное отражение от первой грани многогранной призмы совпадало с перекрестием автоколлиматора и зафиксировать это положение. Затем проверить автоколлимационное отражение на последующих гранях, свидетельствующее, что грани призмы находятся в одной плоскости измерений. При отклонении установленной плоскости измерения от теоретической более чем на 20'', отклонения рабочих углов от номинальных могут превышать нормированные в паспорте призмы значения.
Известен резьбовой зажим, имеющий корпус с резьбой, выполненной в отверстии или на шпильке корпуса, и сопряженный с ней подвижный резьбовой элемент в виде винта, болта, или гайки, выполненный с возможностью фиксации изделия за счет сил трения в месте его прижатия (винтом, болтом, или гайкой) к корпусу [2]. Резьбовой зажим является аналогом изобретения в части фиксации многогранной призмы (МП), прикрепляемой винтом (болтом, гайкой) через центральное отверстие призмы.
Резьбовой зажим с винтом (болтом, гайкой) не исключает поводок прикрепленного изделия вокруг оси винта, что является его недостатком в случае прикрепления МП с требуемой стабильностью узла крепления на уровне 0,1'' вокруг оси шпинделя высокоточных угломерных приборов (УП).
Известно устройство для установки МП, имеющих центральное отверстие, относящееся к технике их изготовления из стекла или кварца [3]. Устройство имеет базовую плоскость для установки посадочного торца заготовки МП и механизм фиксации заготовки. Механизм фиксации заготовки имеет нажимную часть, выполненную с возможностью осевого перемещения в центральном отверстии, и прижимную шайбу. Центральная часть прижимной шайбы предназначена для взаимодействия с нажимной частью механизма фиксации, а периферийная часть - с другим (противоположным посадочному) торцом заготовки многогранной призмы - по кольцевой поверхности, соосной центральному отверстию МП. В устройстве допускается погрешность базирования заготовки МП, приводящая к отклонению от перпендикулярности граней к базовой поверхности призмы, к которым могут добавляться погрешности установки изготовленной кварцевой призмы в металлическую оправу, предохраняющую ее от повреждений. Это приводит к необходимости выставки (юстировки) МП перед каждым закреплением относительно вала угломерных установок для проведения проверок с помощью автоколлиматоров (АК) и многогранных призм, что увеличивает время подготовки и повышает трудоемкость выполнения работ.
Известно устройство для выставки и фиксации многогранных призм относительно оси поворота алидады теодолита, содержащее прикрепляемое к ней основание устройства и установленный на нем, с возможностью выставки углов наклона к вертикали, столик для размещения многогранной призмы. Устройство имеет винт с прижимной шайбой, установленные по оси центрального отверстия многогранной призмы с возможностью ее прикрепления к столику. Устройство применяется при аттестации теодолитов разного типа, имеющих погрешность измерения горизонтальных углов от 3'' до 30'' [4]. Недостатком устройства, применяемого на вертикальной оси поворота, является снижение жесткости узла крепления и стабильности углового положения столика с призмой, связанное с размещением юстировочных винтов между основанием и столиком.
За прототип принято устройство для выставки и фиксации многогранных призм относительно оси шпинделя оптических делительных головок типа ОДГЭ [5]. Устройство имеет корпус, опорную шайбу, прижимную шайбу и резьбовой зажим. Корпус устройства имеет симметричные оси устройства, опорную плоскость для установки многогранных призм, опорную поверхность для связи осей устройства и шпинделя в совмещенном положении осей, и резьбовую поверхность корпуса, выполненную по центру базирующей плоскости корпуса в направлении оси устройства. Опорная шайба выполнена с возможностью симметричной установки по оси устройства и одновременного контакта с базирующей плоскостью корпуса устройства и базовой поверхностью многогранной призмы. Резьбовой зажим включает резьбовую поверхность корпуса и имеет сопрягаемый с ней подвижный элемент резьбового зажима, в частности, винт, имеющий (при его повороте) возможность перемещения по оси устройства и приложения центрального усилия к прижимной шайбе. Прижимная шайба выполнена с возможностью симметричной установки по оси устройства и передачи к базовой плоскости многогранной призмы, в частности, к ее оправе, центрального прижимающего усилия подвижного элемента (винта) резьбового зажима. Эти признаки являются общими для прототипа и предлагаемого устройства.
Устройство прототипа имеет ряд недостатков. Опорная плоскость корпуса устройства имеет нулевое расчетное отклонение от перпендикулярности к оси устройства, а опорная шайба выполнена из материала, обеспечивающего возможность ее деформации под действием усилий резьбового зажима (из фторопласта). Достигаемая этим возможность выставки многогранной призмы путем неодинакового сжатия и деформации разных сторон опорной шайбы, с помощью разнесенных от оси устройства юстировочных винтов, имеющихся в прототипе, может приводить к неравномерным по окружности напряжениям в материале опорной шайбы. При этом выбор материала - легко деформируемого фторопласта, имеющего низкие значения размерной стабильности и коэффициента трения, отрицательно влияет на стабильность углового положения многогранной призмы. Устройство прототипа применяется при вертикальном положении шпинделя в поверках различных модификаций оптических делительных головок типа ОДГЭ, имеющих погрешность измерения углов от 2'' до 20''. Устройство не рассчитано на применение при горизонтальном положении вала, в котором вес призмы способен создавать дополнительную нестабильность углового положения многогранной призмы, и не применяется для высокоточных угломерных поворотных столов, имеющих доверительную абсолютную погрешность 0,35'' при измерении горизонтальных и вертикальных плоских углов.
Заявляемое устройство базирования МП, закрепляемое на оси УП, имеет корпус, опорную шайбу, прижимную шайбу и винт, корпус имеет присоединительную поверхность оси устройства к оси УП и опорную плоскость для МП, опорная шайба выполнена с возможностью одновременного контакта с опорной плоскостью устройства и базовой поверхностью МП, корпус имеет резьбовую поверхность по центру опорной плоскости и винт, сопряженный с резьбовой поверхностью корпуса и установленный с возможностью приложения усилия к прижимной шайбе, прижимная шайба выполнена с возможностью передачи усилия к МП.
Задачей изобретения является повышение жесткости прикрепления и стабильности углов фиксации МП относительно вала угломерных установок поворотного стола.
Технический результат достигается тем, что в устройстве базирования многогранных призм, имеющем симметричные оси устройства корпус, опорную шайбу, прижимную шайбу и винт, корпус имеет присоединительную поверхность для установки на угломерные приборы и устройства и опорную плоскость для многогранной призмы, опорная шайба выполнена с возможностью одновременного контакта с опорной плоскостью устройства и базовой поверхностью многогранной призмы, корпус имеет резьбовую поверхность по центру опорной плоскости и винт, сопряженный с резьбовой поверхностью корпуса и установленный с возможностью приложения усилия к прижимной шайбе, прижимная шайба выполнена с возможностью передачи усилия к многогранной призме, согласно изобретению, опорная плоскость корпуса выполнена с номинальным углом отклонения от перпендикулярности к оси устройства не меньше половины предела допуска отклонения от перпендикулярности измерительных граней к базовой поверхности многогранной призмы, опорная шайба выполнена с такой же величиной номинального угла схождения плоскостей, между прижимной шайбой и головкой винта установлен шарикоподшипник.
На фиг. 1 и фиг. 2 показаны два варианта исполнения устройства. На фиг. 3 показана схема выставки (юстировки) МП 1 с помощью АК, поясняющая использование устройства. На фиг. 4 (а, б, в), схематично показаны угловые размеры, выставляемые (юстируемые) в устройстве.
На фиг. 1 и фиг. 2 штриховыми линиями обозначено местоположение МП в устройстве и расположение устройства относительно шпинделя УП, ось А устройства совмещена с осью шпинделя 2. Ось А' МП отклонена от оси А устройства на угол Δα (схематично показан с большим увеличением), минимизация которого является целью юстировки МП в устройстве.
Устройство имеет корпус 3, опорную шайбу 4 и элементы зажима в виде прижимной шайбы 5, винта 6, шарикоподшипника 7. На МП имеются параллельные измерительные поверхности (грани 8). Корпус 3 устройства имеет кольцевую опорную плоскость 9, симметричную оси А, опорная шайба 4 может занимать на ней любое угловое положение вокруг оси А, и выполнена с возможностью одновременного контакта с опорной плоскостью 9 корпуса 3 и базовой поверхностью 10 МП. Корпус устройства имеет присоединительную поверхность 11 (конус Морзе), симметричную оси А, для связи оси А устройства с осью шпинделя 2 путем тугой посадки конуса Морзе в конусное отверстие шпинделя 2 (фиг. 1). При необходимости фиксации МП на плоскости платформы УП вместо конусного окончания корпус 3 может иметь основание и плоскую присоединительную поверхность на торце основания корпуса (фиг. 2). Корпус устройства имеет резьбовую поверхность 12 по центру кольцевой опорной плоскости 9 для винта 6. Резьбовой элемент (винт 6), сопряженный с резьбовой поверхностью 12 корпуса, выполнен с возможностью приложения центрального усилия к прижимной шайбе 5, в направлении к опорной шайбе 4 и опорной плоскости 9 корпуса устройства. Прижимная шайба 5 выполнена с возможностью симметричной установки по оси устройства и передачи к базовой плоскости 10 МП, в частности, к оправе МП, центрального прижимающего усилия подвижного элемента (винта 6) резьбового зажима. Между прижимной шайбой 5 и головкой винта 6 установлен шарикоподшипник 7.
На фиг. 3 УП 13 и АК 14 размещены на горизонтальной плите в положении, необходимом для измерения горизонтальных плоских углов, линия визирования АК направлена на измерительную грань МП. Условием измерения горизонтальных плоских углов является перпендикулярное в вертикальной плоскости (α=90°) положение граней 8 (зеркал призмы) к линии визирования АК. Оно определяется как угловым положением осей АК и УП в вертикальной плоскости (они должны быть параллельны), так и отклонением Δα оси А' МП относительно оси А корпуса 3 устройства базирования МП (фиг. 1). Минимум (достаточная малость) отклонения Δα должен быть обеспечен выставкой (юстировкой) МП в устройстве. Составляющими юстируемого угла Да являются допуск ГОСТ 2875-88 на перпендикулярность измерительных поверхностей (граней) к базовой торцевой поверхности призмы и допуск на угловые погрешности устройства в плоскости угла Δα (фиг. 1). При юстировке МП величина Δα, максимально равная сумме допусков изготовления МП и устройства, должна быть существенно снижена для возможности угловых измерений при аттестации высокоточных УП.
Юстировка МП в устройстве базирования проводится по методике ГОСТ 8.046-2010 п. 7.9.3.1. Шпиндель 2 УП установлен вертикально (фиг. 1). На шпинделе 2 закреплен корпус 3 устройства, на который установлена МП. По АК проверяют параллельность измерительных граней МП относительно оси вращения шпинделя (угол Δα) и перпендикулярность относительно оси АК. Совместную юстировку МП и АК проводят следующим образом (юстировку проводят по базовым граням МП, указанным в свидетельстве о поверке МП):
- вращением шпинделя 2 подводят в поле зрения АК АК-марку,
- в вертикальном направлении АК-марку устанавливают по среднему делению шкалы,
- подводят АК-марку от противоположной грани МП,
- одну половину расхождения по вертикали устраняют с помощью опорной шайбы 4, уменьшая угол Δα, другую - регулировкой АК.
Затем поворотом шпинделя 2 устанавливают МП в сечении, перпендикулярном к первоначальному направлению, и повторяют операции.
Юстировку проводят до тех пор, пока расхождение штриха сетки АК и АК-марки от базовых граней МП не будет превышать удвоенную величину толщины штриха сетки АК (не более 1'' для автоколлиматора типа АКУ-0,2А или фотоэлектрического АК).
Угол Δα уменьшают с помощью опорной шайбы 4 следующим образом. На фиг. 4 (а, б, в), показаны три варианта установки опорной шайбы 4 устройства, которые различаются по углу разворота опорной шайбы 4 вокруг оси А на корпусе 3 устройства. Опорная плоскость 9 корпуса устройства имеет номинальный угол Δα отклонения от перпендикулярности к оси А устройства, опорная шайба 4 выполнена с такой же величиной номинального угла схождения плоскостей. Величина номинального угла Δα принята (выбрана в конструкции устройства) не меньше половины предела допуска отклонения от перпендикулярности измерительных граней к базовой поверхности МП. Пусть фактическое значение Δα равно номинальному и равно 15'' при пределе допуска погрешности базы МП, равном 30'' (ГОСТ 2875-88), и устройство не вносит собственную погрешность в значение угла Δα.
Допустим погрешность базы МП отсутствует (измерительные грани перпендикулярны базовой поверхности призмы). Тогда нулевое отклонение (Δα=0) оси А' МП, параллельной граням 8 (зеркалам) призмы, от оси А устройства достигается в варианте сборки устройства по фиг. 4 (а), так как отклонение Δα=15'' корпуса 3 и схождение Δα=15'' плоскостей опорной шайбы 4 компенсируют друг друга и не наклоняют ось А' МП относительно оси А устройства.
Допустим, погрешность базы МП максимальна (30''). Тогда нулевое отклонение (Δα=0) оси А' МП, параллельной граням 8 (зеркалам) призмы, от оси А устройства достигается в варианте сборки устройства по фиг. 4 (б). Этот вариант отличается от предыдущего (по фиг. 4а) разворотом на угол 180° опорной шайбы 4 вокруг оси А на корпусе 3 устройства. Отклонение Δα=15'' корпуса 3 и схождение Δα=15'' плоскостей опорной шайбы 4 складываются друг с другом по максимуму и компенсируют максимальную погрешность базы МП.
Допустим погрешность базы МП имеет любое другое промежуточное значение (>0 и <30''). Тогда нулевое отклонение (Δα=0) оси А' МП, параллельной граням 8 (зеркалам) призмы, от оси А устройства достигается в варианте сборки устройства по фиг. 4 (в). Этот вариант отличается от варианта по фиг. 4 (а) разворотом на угол меньше 180° опорной шайбы 4 вокруг оси А на корпусе 3 устройства. Отклонение Δα=15'' корпуса 3 и часть схождения Δα=15'' плоскостей опорной шайбы 4 складываются друг с другом частично и компенсируют меньшую, чем максимальная, погрешность базы МП.
Таким образом, для выставки (юстировки) МП в устройстве по фиг. 1 необходимо подобрать положение опорной шайбы 4 по углу ее разворота вокруг оси А на корпусе 3. Это может быть сделано различными способами, самый простой из которых, используемый в прототипе, заключается в подборе нужного положения опорной шайбы, снимая показания АК.
Так как устройство базирования может вносить собственную погрешность в угол Δα, а на выполнение угла Δα в конструкции устройства существует допуск, величина номинального угла Δα должна быть принята (выбрана в конструкции устройства) больше половины предела допуска отклонения от перпендикулярности измерительных граней к базовой поверхности МП (ГОСТ 2875-88).
При пользовании одним образцом МП, имеющим одну и ту же величину погрешности базы, юстировка проводится однократно для использования в повторяющихся периодически проверках УП с помощью АК и МП. Для возможности повторного использования достаточно поставить метки на корпусе 3 и опорной шайбе 4, указывающие их подобранное взаимное угловое положение относительно оси А устройства. Это уменьшает время подготовки к испытаниям и снижает трудоемкость выполняемых работ.
Конструкция устройства базирования обеспечивает высокую надежность закрепления МП, ее жесткость позволяет проводить проверки при вертикальной оси вращения УП, так и при горизонтальной оси вращения, при необходимости ось вращения УП может быть наклонена на любой угол.
После выставки (юстировки) МП производится закрепление МП с помощью винта 6 через шарикоподшипник 7 и прижимную шайбу 5. В высокоточных УП, имеющих погрешность измерения углов не более 0,5'', предъявляется жесткое требование к стабильности угла фиксированной МП при проведении замеров углов МП (не более 0,1''). Установкой шарикоподшипника достигается существенное уменьшение крутящего момента и напряжений в стержне винта, и исключается их релаксация в угловые подвижки МП при измерениях углов призмы.
Таким образом, заявлено устройство базирования многогранных призм, имеющее симметричные оси устройства корпус, опорную шайбу, прижимную шайбу и винт, корпус имеет присоединительную поверхность для установки на угломерные приборы и устройства и опорную плоскость для многогранной призмы, опорная шайба выполнена с возможностью одновременного контакта с опорной плоскостью устройства и базовой поверхностью многогранной призмы, корпус имеет резьбовую поверхность по центру опорной плоскости и винт, сопряженный с резьбовой поверхностью корпуса и установленный с возможностью приложения усилия к прижимной шайбе, прижимная шайба выполнена с возможностью передачи усилия к многогранной призме. Отличительная особенность заявленного устройства заключается в том, что опорная плоскость корпуса выполнена с номинальным углом отклонения от перпендикулярности к оси устройства не меньше половины предела допуска отклонения от перпендикулярности измерительных граней к базовой поверхности многогранной призмы, опорная шайба выполнена с такой же величиной номинального угла схождения плоскостей, между прижимной шайбой и головкой винта установлен шарикоподшипник.
Литература
1. Полушкин А.В. Оптический углоизмерительный комплекс на базе цифрового автоколлиматора для автоматизированных проверок углозадающих и углоизмерительных приборов / Р.В. Ермаков, Н.А. Калдымов, С.Ф. Нахов и др. // Труды Международной научно-технической конференции (МНТК) «Системы и комплексы автоматического управления летательных аппаратов», посвященной 105-летию со дня рождения академика АН СССР Н.А. Пилюгина. - М., 2013. - С.179-189.
2. Справочник конструктора точного приборостроения / Под ред. Ф.Л. Литвина. - М.Л.: Машиностроение, 1964. - С.414, 316, 281.
3. Авторское свидетельство СССР №956248. Устройство для установки многогранных призм, авторы: А.Н. Дроханов, И.И. Гилева. Опубл. 07.09.82 г.
4. ГОСТ Р. 50.2.254-2002. Теодолиты и другие геодезические угломерные приборы. Методика поверки.
5. ГОСТ 8.046-2010. Головки оптические делительные. Методика поверки. Приложение Г (справочное). Рисунок - Г.2.