ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА

Предлагаемая полезная модель относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использована для измерения размеров различных изделий с помощью промышленных роботов.
Измерительные головки, аналогичные предлагаемой, известны. К ним относятся, в частности, электроконтактные головки БВ-4272, описанные в работе «Либерман Я.Л., Тимашев С.А. Состояние и перспективы развития средств контроля и диагностики в станках с ЧПУ: - М., 1987/ВНИИТЭМР; Серия 8: Вып.8» (рис.9). Основными элементами в них являются электроконтактный датчик и подпружиненный измерительный щуп, размещенные в общем корпусе и соединенные друг с другом. Головка используется совместно с системой цифрового отсчета координат рабочего органа робота (такая система, как правило, содержит кодовый датчик положения рабочего органа или счетно-импульсный преобразователь «перемещение-код»), при этом она закрепляется в захватном устройстве промышленного робота. Для измерения размера изделия головка с помощью приводов промышленного робота подводится к изделию, размер которого должен быть измерен, до соприкосновения с ним щупа. Когда щуп касается изделия, электроконтактный датчик выдает команду в систему отсчета координат рабочего органа (захватного устройства) робота, и с кодового датчика положения или счетно-импульсного преобразователя считывается код. Этот код является цифровым эквивалентом измеряемого размера и результатом измерения.
Электроконтактные измерительные головки, подобные БВ-4272, довольно просты, однако имеют ряд недостатков. К ним относятся: недостаточно высокая долговечность, что обусловлено эрозионным износом и окислением входящих в них датчиков, и недостаточно высокая точность измерения, что вызвано наличием погрешности формирования и исполнения команды на отсчет перемещения или положения рабочего органа машины и дискретностью указанного отсчета (всякая цифровая система имеет погрешность дискретизации или квантования измеряемого или управляемого параметра).
Отмеченных недостатков, в определенной степени, лишена измерительная головка, защищенная авторским свидетельством СССР №1599646, кл 5 G01В 7/02, принятая нами за прототип. В этой головке электроконтактный датчик заменен бесконтактным - автогенераторным, работающим на основе использования явления срыва генерации электромагнитных колебаний. Такие датчики практически не изнашиваются, а потому головка с их применением обладает намного более высокой долговечностью и надежностью. Головка-прототип содержит корпус, закрепленный в нем с помощью вставной гильзы подпружиненный измерительный щуп и неподвижно установленные бесконтактные датчики. На конце щупа, обращенном в сторону датчиков (к их торцам), закреплен электропроводный диск, обеспечивающий возможность взаимодействия датчиков и щупа. На диске имеется секторный вырез, благодаря которому торец одного из датчиков перекрывается диском либо полностью, либо на определенную часть. Вставная гильза головки снабжена червячным колесом, а в корпусе установлен червяк, находящийся с этим колесом в зацеплении.
Головка может эксплуатироваться в двух режимах - в режиме допускового контроля (проверки попадания размера изделия в определенный интервал) и в режиме измерения размера. В режиме измерения размера ее используют совместно с системой цифрового отсчета координат робота следующим образом. Головку устанавливают в захватное устройство робота, а затем настраивают по эталонному изделию, размер которого известен. Для этого рабочий орган робота (захватное устройство) с головкой с помощью привода рабочего органа робота подводят к изделию и перемещают, нажимая измерительным щупом на изделие и сжимая подпружинивающую подвеску щупа до момента, когда сработает один из датчиков. При этом, поворачивая гильзу со щупом и диском с помощью червячной передачи (например отверткой), устанавливают перекрытие торца этого датчика таким, чтобы срабатывание (формирование команды) датчика пришлось на середину одной из дискрет (одного из квантов) системы цифрового отсчета координат рабочего органа робота. Код этой дискреты (или кванта) принимают за результат измерения эталонного размера. После настройки головку уже можно применять для измерения обычных, неэталонных изделий. Ее подводят к изделию так же, как при настройке, до срабатывания (выдачи команды) того же датчика, по этой команде производят считывание кода с системы цифрового отсчета перемещения рабочего органа робота. Зная цену дискреты (кванта) перемещения и сравнивая полученный код с кодом эталонного размера, находят отклонение фактического размера изделия от эталонного и/или его абсолютное значение.
В процессе использования головки-прототипа из-за нестабильности срабатывания автогенераторного датчика (а абсолютно стабильным оно в принципе быть не может) команда на считывание кода с кодового датчика положения или преобразователя перемещение-код, имеющегося в системе цифрового отсчета перемещений рабочего органа робота, также оказывается нестабильной. Это влечет за собой одну погрешность измерения размера изделия. Поскольку самой системе цифрового отсчета перемещений рабочего органа робота, в котором закреплена головка, присуща погрешность дискретизации или квантования (при описанной настройке головки она минимальна, но все же равна половине дискреты), возникает вторая погрешность измерения изделия. Обе эти погрешности суммируются и обусловливают общую погрешность измерения. Последняя определяет точность измерения размеров с помощью головки-прототипа. Указанная точность во многих практических случаях оказывается вполне удовлетворенной. Однако в случае прецизионных измерений она, как правило, недостаточна.
Головка-прототип имеет и еще один недостаток - длительность перенастройки, обусловленную выполнением перенастройки вручную. Этот недостаток проявляется особенно при использовании головки для измерения размеров, ориентированных по различным координатам, поскольку системы цифрового отсчета перемещений рабочего органа промышленного робота по разным координатам, как правило, имеют разную дискретность. Таким образом, наряду с тем, что головка-прототип не всегда обеспечивает требуемую точность измерения, она не всегда обеспечивает и нужную производительность измерения.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание измерительной головки, обеспечивающей повышение точности и производительности измерения размеров.
Достигается решение задачи за счет того, что измерительная головка, содержащая корпус, закрепленный в нем подпружиненный измерительный щуп, и бесконтактный датчик, размещенный в корпусе с возможностью взаимодействия со щупом, дополнительно снабжена прецизионным шаговым электроприводом поступательного движения, состоящим из электродвигателя, соединенного с парой «винт-гайка», датчик выполнен аналоговым и установлен в корпусе на упругой подвеске с возможностью осевого перемещения гайкой.
На рис.1 показана конструкция предлагаемой измерительной головки, а на рис.2, рис.3 и рис.4 - ее разрезы А-А, Б-Б, В-В. Головка содержит цилиндрический корпус 1, выполненный в виде стакана из не магнитного материала. Внутри корпуса соосно с ним размещен аналоговый, в частности, дифференциальный индуктивный датчик 2, имеющий также форму цилиндра. Датчик состоит из магнитопровода 3 с обмотками 4 и 5, измерительного штока 6, установленного по скользящей посадке внутри магнитопровода 3, двух якорей 7 и 8, зацепленных на штоке 6, крышке 9, представляющей собой, установленную на резьбе донную часть датчика 2, и пружины 10, расположенной между крышкой 9 и якорем 7. Для подвода электропитания и отвода выходного сигнала датчика 2 в магнитопроводе 3 выполнено отверстие, через которое пропущены провода 11. Датчик установлен в корпусе 1 на упругой подвеске, представляющей собой две круглые мембраны 12, расположенные по концам датчика и закрепленные на нем и в корпусе с помощью гаек 13 и 14. На внутренней поверхности корпуса 1 со стороны крышки 9 датчика 2 нарезана резьба, с помощью которой в корпус 1 ввинчено кольцо 15. На торце кольца соосно с датчиком 2 закреплен шаговый микроэлектродвигатель 16. Вал двигателя пропущен через отверстие в кольце 15 и с помощью муфты 17 соединен с прецизионным винтом 18. На винт 18 навинчена также прецизионная гайка 19. Двигатель 16, муфта 17, винт 18 и гайка 19 образуют прецизионный шаговый электропривод поступательного движения, в котором гайка является выходным звеном. Это звено размещено в углублении, выполненном в крышке 9 датчика, и закреплено на ней винтами, чем обеспечивается возможность осевого перемещения датчика 2 указанным выходным звеном 19. Со стороны противоположной данной части датчика 2 в корпусе 1 головки закреплен подпружиненный щуп 20. Он установлен на плоской пружине 21 типа мембраны, которая выполнена с возможностью деформирования осевой нагрузкой, подобно мембранам 12, или изгибающим моментом. Один конец щупа 20 предназначен для взаимодействия с измеряемым изделием, другой - для соприкосновения с измерительным штоком 6 - с его концом, противоположным донной части датчика 2 (соприкосновение осуществляется через втулку 22, установленную на конце штока 6, имеющую коническое углубление, но может быть выполнено и с помощью иных конструктивных элементов).
Перед использованием измерительной головки, вначале подбирают пружину 10 так, чтобы ее жесткость, по крайней мере, вдвое превышала жесткость мембран 12 и 21. Затем, предварительно проградуировав датчик 2 и закрепив головку в захватном устройстве рабочего органа робота, головку настраивают по эталонному изделию. Для этого подавая импульсы от типового внешнего контроллера (на рисунке не показан) на электродвигатель 16, звеном 19 смещают датчик 2 по оси до тех пор, пока он не деформирует мембраны 12 и 21 так, как показано на рис.1. Далее, перемещая головку с помощью приводов робота, ее вводят в соприкосновение с эталонной деталью и сообщают ей дополнительное перемещение, создающее выходной сигнал головки, близкий к нулю. После этого снова подавая импульсы от внешнего контроллера, устанавливают значение выходного сигнала датчика 2 в точности равное нулю.
Настроив головку по эталонному изделию, далее уже можно измерять и обычные, не эталонные детали. Для этого достаточно устанавливать измерительную головку с помощью приводов рабочего органа робота в то же положение, при котором производилась точная настройка нуля, и считывать выходной сигнал с датчика 2. Результат в единицах градуировки датчика будет показывать отклонение измеряемого параметра от эталонного значения и/или его абсолютное значение. При этом погрешность измерения не будет включать в себя погрешность дискретности (квантования) системы цифрового отсчета перемещений (координат) рабочего органа робота, а будет определяться погрешностью датчика 2 и дискретностью шагового микроэлектропривода. Но дискретность этого привода при цене импульса 0,25° и шаге винта 18, равном 0,3 мм (типичные параметры шагового микроэлектропривода), будет равна ≈0,0002 мм, что, как минимум, в 500 раз меньше, чем дискретность типичной системы цифрового отсчета перемещений рабочего органа робота. В результате точность измерения с помощью предлагаемой измерительной головки по сравнению с прототипом существенно повысится. Настраивая головку последовательно на несколько размеров эталонного изделия и запоминая в памяти контроллера количества импульсов, которые подавались на микроэлектропривод головки при настройке на каждый размер, мы исключаем ручную перенастройку головки при измерении нескольких размеров и заменяем ее возможностью автоматической перенастройки в процессе перемещения головки из позиции измерения одного размера в позицию измерения другого размера. А это повысит производительность процесса, как показывают расчеты, в 20 и более раз.