СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛОКАЛЬНОГО РАДИУСА КРИВИЗНЫ УПРУГОДЕФОРМИРОВАННОЙ ЭТАЛОННОЙ БАЛКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING LOCAL RADIUS OF CURVATURE OF ELASTICALLY DEFORMED REFERENCE BEAM AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к измерительной технике в области метрологического обеспечения эталонов относительной деформации, использующихся для калибровки тензодатчиков или экстензометров.
В настоящее время для контроля относительной деформации поверхности твердого тела (типа «растяжение - сжатие») используются стенды, представляющие собой комплекс, состоящий из двух основных взаимосвязанных частей:
1. Система нагружения эталонной балки в виде стенда, на котором балку постоянного прямоугольного сечения подвергают так называемому «чистому изгибу», при этом на рабочем ее отрезке изгибающий момент имеет постоянную величину и знак при отсутствии продольных и поперечных сил.
2. Система контроля деформации в виде накладного прибора, посредством которого относительную деформацию вычисляют по результату измерения стрелки прогиба балки на базе заданной длины.
Известен стенд для получения чистого изгиба балки постоянного сечения [называется Установка высшей точности (УВТ 32-А-85), размещена в ФГУП «Уральский научно-исследовательский институт метрологии», г. Екатеринбург, http://www.uniim.ru/otd23/lab233.html], имеющий массу около 2,5 тонн, в котором использует эталонную балку сечением 40 на 60 мм с длиной 2,5 метра с длиной отрезка, изгибаемого в режиме «чистого изгиба», около 0,75 метра. Установка имеет методическую погрешность, не позволяющую достичь режима чистого изгиба с необходимой точностью в диапазоне относительной деформации ±0,003 (предел метрологической упругости для стали 40Х). Достижению требуемой точности (0,0001) также препятствует метод измерения деформации балки, который заключается в измерении стрелки прогиба балки на заданной базе (400 мм). Так как уравнение изогнутой осевой линии балки соответствует уравнению окружности, зависимость стрелки прогиба от длины базы квадратичная. К сожалению, неучтенный прогиб из-за тепловых градиентов в теле измерительного мостика, несущего на себе линейный преобразователь прогиба балки, зависит от длины этой базы по такому же закону, а весовой (распределенная весовая нагрузка) - по закону четвертой степени. Это делает бессмысленным применение преобразователей с разрешающей способностью менее 1 мкм.
Известна также схема стенда по патенту №2526787 «Способ получения чистого изгиба балки постоянного сечения и устройство для его обеспечения» (заявл. 14.12.2012 г., опубл. 27.08.2014 г.).
В устройстве по указанному патенту с необходимой точностью достигается режим «чистого изгиба». Кроме того, реализованный по патенту способ позволяет значительно увеличить кривизну деформируемой балки, а значит, уменьшить момент инерции ее сечения, а также уменьшить габариты и массу всего стенда.
С известной системой нагружения эталонной балки в виде «Установки высшей точности» (ФГУП «УНИИМ») в качестве системы контроля деформации также может использоваться «Накладной прибор для измерения геометрических параметров цилиндрической поверхности крупногабаритных деталей» по патенту РФ №2180428, (заявл. 08.10.1996, опубл. 10.03.2002., МПК G01B 11/08).
Накладной прибор включает корпус, снабженный поворотными башмаками, опирающимися каждый двумя контактными элементами на измеряемую цилиндрическую поверхность, и установленный на корпусе измерительный преобразователь, при этом измерительный преобразователь выполнен в виде двух координатно-чувствительных фотоэлектрических преобразователей, каждый из которых оптически связан с отражательным элементом, закрепленным на оси поворота противолежащего башмака, посредством оптической системы, в которой оптически сопряженные полупроводниковый лазер, коллимирующая линза, разделительный блок призм смонтированы между башмаками, причем отражательные элементы выполнены в виде призм с прямыми двугранными углами, при этом каждый из координатно-чувствительных фотоэлектрических преобразователей соединен с вычислителем, снабженным оперативным запоминающим устройством и устройством с записью программы вычислений.
Таким образом, накладной прибор имеет две независимые друг от друга оси поворота башмаков, а каждый башмак снабжен двумя контактными референтными элементами относительно измеряемой цилиндрической поверхности.
Однако компоновка прибора адаптирована к измерению радиусов цилиндрических поверхностей только крупногабаритных деталей в области тяжелого машиностроения и в чистом виде не позволяет решить задачу для малогабаритных деталей, т.к. прибор имеет большую длину опорной базы и значительный вес. Прибор по патенту №2180428 принят за прототип.
Задача состоит в том, чтобы создать новую систему контроля деформации для «Способа получения чистого изгиба балки постоянного сечения и устройства для его обеспечения» по патенту №2526787 и найти адекватный способ измерения локальной кривизны эталонной балки, сочетающий одновременно простоту конструкции и высокую точность измерений при существенно меньшей длине измерительной базы и меньшей массе. Средство для контроля деформации должно иметь минимальные размеры для того, чтобы можно было контролировать кривизну минимум в пяти не перекрывающихся локальных зонах рабочего отрезка балки при его длине не более 400 мм.
Последнее условие позволяет существенно снизить требования к геометрической точности элементов конструкции стенда для чистого изгиба балки, т.к. позволяет учесть неоднородность кривизны по длине.
Технический результат, достигаемый в заявляемой группе изобретений, заключается в уменьшении веса и габаритов всего комплекса, включающего и систему нагружения и систему контроля деформации, при достижении той же величины диапазона деформации (±0,003) и повышении точности измерения и решении, тем самым, комплексной метрологической задачи создания единой системы нагружения и контроля, позволяющей работать с эталонной балкой с большим диапазоном кривизны.
Сущность заявляемого технического решения при осуществлении группы изобретений заключается в том, что в устройстве для измерения локального радиуса кривизны упругодеформированной эталонной балки, включающем корпус, два поворотных башмака, опирающихся четырьмя референтными элементами на измеряемую цилиндрическую поверхность, и установленный на корпусе фотоэлектрический измерительный преобразователь угла поворота башмаков, согласно изобретению в качестве корпуса используется поворотный башмак, выполненный в виде пластины с вилкообразным вырезом по оси симметрии, а другой поворотный башмак выполнен в виде пластины-язычка, размещенной в вырезе пластины-вилки, и имеющей ту же ось симметрии, что и пластина-вилка, при этом башмаки-пластины кинематически связаны между собой общей опорой вращения, включающей устанавливаемые на контролируемой поверхности посредством поверхностей скольжения два прецизионных шара, размещенных симметрично с двух сторон относительно общей оси симметрии пластин, причем каждая из пластин включает дополнительный прецизионный шар в виде третьей точки опоры, размещенные таким образом, что расстояние от оси общей опоры вращения до центра дополнительного шара на пластине-язычке в два раза меньше соответствующего расстояния на пластине-вилке, лазерный диод с коллимирующей линзой и матричный фотоприемник установлены на пластине-вилке, а двугранная призма в качестве отражательного элемента оптической системы размещена на пластине-язычке.
Использование поворотных башмаков в качестве корпуса с размещением на них элементов измерительного оборудования упрощает конструкцию, уменьшает вес прибора, позволяет минимизировать массу прибора и уменьшить ее влияние на деформацию балки.
Выполнение одного из поворотных башмаков в виде пластины с вилкообразным вырезом по оси симметрии, а другого поворотного башмака в виде пластины - язычка, размещенного на той же оси симметрии в вырезе пластины-вилки, позволяет уменьшить габариты прибора, уменьшить длину базового отрезка по сравнению с длиной рабочего отрезка балки.
Выполнение общей опоры вращения, включающей устанавливаемые на контролируемой поверхности посредством поверхностей скольжения два прецизионных шара, позволяет одновременно использовать их в качестве референтных элементов по отношению к измеряемой поверхности.
Размещение прецизионных шаров симметрично с двух сторон относительно общей оси симметрии пластин и наличие третьей точки опоры на каждой пластине-башмаке в виде дополнительного прецизионного шара позволяет обеспечить однозначность положения прибора на контролируемой балке и тем самым достичь высокой точности прибора при упрощенной конструкции.
Сущность заявляемого технического решения при осуществлении группы изобретений заключается также в том, что в способе измерения радиуса цилиндрической поверхности на измеряемую поверхность устанавливают накладной прибор с двумя поворотными башмаками, опирающимися на эту поверхность четырьмя референтными элементами, а радиус кривизны поверхности определяют по изменению положения светового пятна на фотоэлектрическом преобразователе относительно положения, занимаемого обоими башмаками в случае установки их на эталонную плоскость, путем измерения углов поворота башмаков при помощи лазера, координатно-чувствительных фотоприемников и отражающих призм, при этом, согласно изобретению, в качестве корпуса используют поворотный башмак, выполненный в виде пластины с вилкообразным вырезом по оси симметрии, а другой поворотный башмак выполняют в виде пластины-язычка и размещают его на той же оси симметрии в вырезе пластины-вилки, при этом башмаки кинематически связывают между собой общей опорой вращения, включающей поверхности скольжения двух прецизионных шаров, симметрично установленных с двух сторон относительно общей оси симметрии пластин, получают, таким образом, симметричные референтные элементы по отношению к контролируемой поверхности, дополнительно устанавливают по одному шару на пластине-вилке и на пластине-язычке на их общей оси симметрии так, что расстояние от общей опоры вращения до дополнительного шара на пластине-язычке в два раза меньше соответствующего расстояния на пластине-вилке, получают, таким образом, трехопорные поворотные башмаки с тремя референтными элементами каждый, на пластине-вилке устанавливают лазерный диод с коллимирующей линзой и фотоэлектрический преобразователь, а на пластине-язычке устанавливают призму-отражатель, по изменению положения референтных элементов относительно контролируемой поверхности отслеживают положение светового пятна и судят об угле поворота пластины-язычка относительно пластины-вилки и, соответственно, о радиусе кривизны поверхности.
Выполнение поворотными башмаками функции корпуса упрощает конструкцию, уменьшает вес прибора, позволяет минимизировать массу прибора и уменьшить ее влияние на деформацию балки.
Выполнение одного поворотного башмака в виде пластины с вилкообразным вырезом, а другого - в виде пластины-язычка, позволяют разместить их одну в другой на одной оси симметрии и кинематически соединить пластины-башмаки между собой общей опорой вращения.
Выполнение общей опоры вращения, включающей поверхности скольжения двух прецизионных шаров, симметрично установленных с двух сторон относительно общей оси симметрии пластин, позволяет использовать шары в качестве референтных элементов по отношению к контролируемой поверхности эталонной балки.
Установка дополнительно по одному прецизионному шару на пластине-вилке и на пластине-язычке на их общей оси симметрии позволяет получить строго однозначное положение поворотных башмаков при сохранении в накладном приборе всего четырех референтных элементов, что также повышает точность прибора.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах изобретений, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналоги, характеризующиеся признаками, тождественными всем существенным признакам устройства и способа. Выбор прототипа позволил выявить совокупность существенных отличительных признаков устройства и способа, не известных из уровня техники и не вытекающих для специалиста явным образом из известного уровня техники. Заявитель считает, что заявляемое изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».
Изобретение представлено на следующих чертежах.
Фиг. 1 - Устройство для измерения локального радиуса кривизны упругодеформированной эталонной балки (Трехмерная компоновочная схема).
Фиг. 2 - Устройство для измерения локального радиуса кривизны упругодеформированной эталонной балки (Упрощенная кинематическая схема).
Фиг. 3 - Схема реализации способа измерения локального радиуса кривизны упругодеформированной эталонной балки (Расчетная схема для вычисления радиуса кривизны).
Устройство, служащее для осуществления заявляемого способа, представлено на фиг. 1, включает пластину-вилку 1, имеющую вырез, в который вложена с некоторым зазором пластина-язычок 2. Обе пластины выполняют функцию поворотных башмаков и связаны между собой одной общей опорой вращения, в качестве которой использованы два шара 3, 4, помещенные в конические (или сферические) полости в трех соосных втулках 5, 6, 7. Эти два шара 3 и 4 служат опорами обеих пластин (поворотных башмаков) и используются в качестве референтных элементов по отношению к контролируемой поверхности эталонной балки 8. Каждая пластина имеет также по одному дополнительному референтному шару 9 и 10, размещенному таким образом, что расстояние от оси общей опоры вращения до дополнительного шара 9 на пластине-язычке 2 в два раза меньше расстояния от оси общей опоры вращения до дополнительного шара 10 на пластине-вилке 1. Таким образом, обе пластины-башмаки имеют по три точки опоры на поверхности балки 8, одновременно выполняющих роль референтных элементов относительно контролируемой поверхности. На пластине-вилке 1, выполняющей также функцию корпуса, установлены лазерный диод 11 с коллимирующей линзой 12 и координатно-чувствительный фотоэлектрический преобразователь 13 перемещений светового пятна от лазерного луча 14, а на пластине-язычке 2 установлена двухгранная призма 15, служащая для отражения лазерного луча. На выходе светового пучка 14 из призмы 15 установлена фокусирующая линза 16 с фокусным расстоянием F. Пластина-вилка 1 имеет боковые выступы 17, ориентирующие ее относительно боковых граней эталонной балки 8.
Устройство работает следующим образом. Пластина-язычок 2 благодаря шаровым опорам имеет свободу вращения в пределах небольшого угла поворота вокруг оси, проходящей через центры двух шаров 3 и 4. На деформируемую поверхность балки обе пластины опираются каждая посредством трех шаров, пластина-язычок опирается посредством шаров 3, 4, 9, а пластина-вилка - посредством шаров 3, 4, 10.
Световое пятно от лазерного луча 14 при помощи котировочных устройств (на рисунке не показаны) располагают в средней части координатно-чувствительной зоны фотоэлектрического преобразователя 13 при установке обеих пластин на эталонную плоскость. При этом измеренная (вычисленная) координата энергетического центра светового пятна принимается за начало отсчета. В этом случае система готова к измерению кривизны балки с любым знаком (+ или -). Когда обе пластины устанавливают на деформированную цилиндрическую поверхность (при обеспечении механического контакта всех четырех шаров с этой поверхностью), пластина-язычок 2 меняет свое положение относительно пластины-вилки 1, поворачиваясь в плоскости изгиба балки на некоторый угол (φ/2) (фиг. 3), в результате чего лазерный луч 13 наклоняется относительно вилки на угол (φ). Световое пятно, образованное лазерным лучом на фотоприемнике, перемещается вдоль оси чувствительности преобразователя на величину, определяемую углом наклона луча 13 относительно положения, принятого за нулевое, и фокусным расстоянием линзы 16.
1
2
п
sr
п
sr
sr
sr
sr
-5
На фиг. 2 представлена схема, на которой дается пример реализации способа. Как видно на фиг. 1 и 2, лазерный луч здесь играет роль идеального (не подверженного деформации) оптического рычага, преобразующего вертикальное смещение S референтного шара 9 (на пластине-язычке) в перемещение S энергетического центра светового пятна. Коэффициент преобразования при этом составляет 4F/L или (4·60/80=3). Автором экспериментально установлено, что при величине светового пятна на чувствительной поверхности фотоприемника порядка 50 мкм при величине пикселей 7 мкм разрешающая способность (среднеквадратическая погрешность) в определении координаты его энергетического центра при осреднении за время 3-5 секунд составляет около 0,03 мкм. Следовательно, разрешающая способность при измерении величины вертикальных перемещений референтного шара 9 составляет около 0,01 мкм. Линейный диапазон экспериментально исследованного фотоэлектрического преобразователя составляет ±3,5 мм. В этом случае относительная разрешающая способность такого метода измерения кривизны поверхности балки составляет 0,03/3500=0,0000086 или около 10. Приняв длину базы L пластины-вилки равной 80 мм, получим минимальный радиус кривизны цилиндрической поверхности деформированной балки R=±670 мм (радиус средней линии балки R=R-h/2), а относительную деформацию ε на поверхности балки толщиной h=4 мм около ±0,003 (ε=K·h/2, K=1/R, K - кривизна средней линии балки).
Если корпус лазерного диода установить на пластину-вилку в средней по ее длине части, а фотоприемник - в плоскости расположения третьего опорного шара 10 пластины-вилки, то влияние изгибных деформаций пластины-вилки 1 становится пренебрежимо малым, так как при этом ось коллимированного на бесконечность лазерного пучка света смещается параллельно самой себе, а положение сфокусированного линзой 16 светового пятна на фотоприемнике при этом не изменяется. Необходимо при этом чтобы световой пучок от лазерного диода был параллельным.
Таким образом, изложенные сведения показывают, что предлагаемое изобретение по способу и устройству предназначено для уменьшения веса и габаритов системы контроля деформации, при достижении той же величины диапазонов деформации (±0,003), и повышения степени точности измерения локального радиуса кривизны упругодеформированной эталонной балки.
Источники информации
1. Установка высшей точности (УВТ), ФГУП «Уральский научно-исследовательский институт метрологии», г. Екатеринбург, http://www.uniim.ru/otd23/lab233.html.
2. Патент РФ №2526787 «Способ получения чистого изгиба балки постоянного сечения и устройство для его обеспечения» (заявл. 14.12.2012 г., опубл. 27.08.2014 г.).
3. Патент РФ №2180428 «Накладной прибор для измерения геометрических параметров цилиндрической поверхности крупногабаритных деталей» (заявл. 08.10.1996, опубл. 10.03.2002., МПК G01B 11/08).