ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ МИКРОМЕТРИЧЕСКАЯ ГОЛОВКА "ТУБОР" Российский патент 1995 года по МПК G01B5/02 

Изобретение относится к измерительной технике, точнее к области измерения линейных размеров объектов фотоэлектрическими преобразователями на базе дифракционных решеток, может быть использовано в машиностроении, оптико-механической промышленности и т.д.

Известно устройство головки измерительной микрометрической (ГИМ)-оптикатор [1] , для измерения линейных размеров объектов, содержащее корпус, измерительный цилиндрический стержень с наконечником, обладающий осью, измерительный элемент и опоры, измерительный цилиндрический стержень с возможностью перемещения относительно опор вдоль собственной оси. Измерительный элемент состоит из скрученной ленты, на которой установлено зеркало в средней ее части. ГИМ-оптикатор содержит также осветитель, состоящий из лампы и конденсатора, прямоугольную диафрагму, в середине которой натянута тонкая нить, объектив и шкалу оптикатора.

Устройство работает следующим образом.

Наконечник контактирует с поверхностью измеряемой детали и смещается вместе с измерительным стержнем. При перемещении стержня скрученная лента растягивается и поворачивается вместе с приклеенным на ней зеркалом, на которое направлен световой поток от лампы через конденсатор, прямоугольную диафрагму и объектив. Объектив проецирует изображение диафрагмы в виде светлого прямоугольника с узким темным штрихом посередине. Этот штрих и используется в качестве индекса при отражении изображения диафрагмы ("зайчика") на поверхность шкалы оптикатора.

Таким образом принцип действия головки оптикатора основан на использовании упругих свойств скрученной пружинной ленты. Оптикаторы имеют цену деления 0,1; 0,2 и 0,5 мкм при диапазонах измерений длины от 24 до 100 мкм. Благодаря наличию оптического рычага в пределах всего диапазона измерений погрешность укладывается в цену деления.

Этим устройством, в силу конструктивных особенностей скрученной ленты и ее свойств, невозможно измерить большие линейные размеры порядка десятков миллиметров и более.

Из известных устройств ГИМ наиболее близким по технической сути является ГИМ-микатор [1] (с.73). Известное устройство ГИМ-микатор, принятое за прототип, содержит корпус, измерительный цилиндрический стержень с наконечником, обладающий осью и установленный на шариковых направляющих, выполняющих функцию опор. ИС имеет возможность перемещения относительно этих опор вдоль собственной оси. ГИМ-микатор содержит также измерительный элемент, состоящий из скрученной ленты, к которой жестко прикреплена стрелка и циферблат с делениями. Кроме того, измерительный стержень имеет в верхней части дополнительный кронштейн, через который создается измерительное усилие с помощью пружины. Кронштейн обладает упором, находящимся в контакте с рычагом, к которому жестко прикреплен один конец скрученной ленты.

Устройство работает следующим образом.

При перемещении измерительного стержня по шариковым направляющим его упор в верхней части освобождает рычаг, к которому прикреплен конец скрученной ленты. Рычаг, отгибаясь, растягивает скрученную ленту, которая поворачивается вместе со стрелкой, показывая на циферблате величину линейного размера. Микаторы изготавливают с ценой деления 0,2; 0,5; 1 и 2 мкм и с диапазоном измерения длины объекта до 200 мкм. Микатор имеет преимущества перед оптикатором, так как шариковые направляющие делают измерительный стержень менее уязвимым к боковым смещениям. Однако ось измерительного стержня не совпадает с осью измерительной системы (не содержит центр тяжести скрученной ленты) и приводит к дополнительным ошибкам при измерениях.

Этим устройством, в силу тех же конструктивных особенностей скрученной ленты и ее свойств, также невозможно измерить большие линейные размеры объектов порядка десятков миллиметров и более, как и в предыдущем устройстве оптикатора.

Цель изобретения - создание устройства ГИМ для расширения диапазона измерения линейных размеров объекта до 100 мм и более и сохранения высокого разрешения и субмикронной точности во всем измеряемом диапазоне.

Цель достигается тем, что в устройстве ГИМТ, содержащей корпус, измерительный цилиндрический стержень с наконечником, обладающий осью, измерительный элемент и опоры, измерительный цилиндрический стержень с возможностью перемещения относительно опор вдоль собственной оси, измерительный цилиндрический стержень выполнен с плоским продольным срезом, параллельным оси стержня, и сквозным продольным пазом, перпендикулярным плоскости среза, расположенным симметрично относительно оси измерительного цилиндрического стержня, опоры выполнены в виде двух узлов, расположенных внутри корпуса в пределах плоскости среза, один из узлов включает четыре подшипника, первые два подшипника соосны и установлены в контакте с плоскостью среза, их ось параллельна плоскости среза и перпендикулярна оси измерительного цилиндрического стержня и жестко связана с корпусом, расположены с двух сторон сквозного паза, симметрично относительно оси измерительного цилиндрического стержня, вторые два подшипника установлены в контакте с цилиндрической поверхностью измерительного цилиндрического стержня и ориентированы таким образом, что их оси перпендикулярны радиусам цилиндрической поверхности измерительного цилиндрического стержня, проведенными в точки контакта подшипников с цилиндрической поверхностью измерительного цилиндрического стержня и находятся в одной плоскости с осями первых двух подшипников, расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось измерительного цилиндрического стержня и перпендикулярной плоскости среза, ось одного из двух вторых подшипников жестко связана с корпусом, а ось другого подшипника подпружинена в направлении радиуса цилиндрической поверхности измерительного цилиндрического стержня, проведенного в точку контакта подшипника с цилиндрической поверхностью измерительного цилиндрического стержня, второй узел включает узел с подшипниками, находящимися в контакте с плоскостью среза, и два подшипника, установленные в контакте с цилиндрической поверхностью измерительного цилиндрического стержня, их оси находятся в одной плоскости с осями подшипников узла с подшипниками, находящимися в контакте с плоскостью среза, расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось измерительного цилиндрического стержня и перпендикулярной плоскости среза, ось одного из двух вторых подшипников жестко связана с корпусом, а ось другого подшипника подпружинена в направлении радиуса цилиндрической поверхности измерительного цилиндрического стержня, проведенного в точку контакта подшипника с цилиндрической поверхностью измерительного цилиндрического стержня, а измерительный элемент состоит из двух дифракционных решеток - измерительной и индикаторной, осветителя и фотоприемного устройства, жестко связанные с корпусом, измерительная дифракционная решетка установлена в пазу измерительного цилиндрического стержня, жестко связана с ним и ориентирована таким образом, что плоскость решетки параллельна плоскости среза, а штрихи дифракционной решетки перпендикулярны оси измерительного цилиндрического стержня, индикаторная дифракционная решетка жестко связана с корпусом и ориентирована таким образом, что ее плоскость параллельна плоскости измерительной дифракционной решетки, а ее штрихи параллельны штрихам измерительной дифракционной решетки, головка снабжена также узлом перемещения измерительного цилиндрического стержня.

Цель достигается также тем, что узел с подшипниками, находящимися в контакте с плоскостью среза, содержит один подшипник, его ось параллельна плоскости среза, перпендикулярна оси измерительного цилиндрического стержня и жестко связана с корпусом, расположен симметрично относительно плоскости, проходящей через ось измерительного цилиндрического стержня и перпендикулярной плоскости среза, а также тем, что узел с подшипниками, находящимися в контакте с плоскостью среза, содержит два соосных подшипника, установленные в контакте с плоскостью среза, их ось параллельна плоскости среза, перпендикулярна оси измерительного цилиндрического стержня и жестко связана с корпусом, расположенные с двух сторон сквозного паза, симметрично относительно оси измерительного цилиндрического стержня.

Кроме того корпус обладает отверстием, расположенным на противоположном наконечнику измерительного цилиндрического стержня конце корпуса, а узел перемещения измерительного цилиндрического стержня выполнен в виде шарика и гибкой нити, которая одним своим концом прикреплена к другому концу измерительного цилиндрического стержня, чем наконечник, проходит через отверстие в корпусе, а другим концом связана с шариком, и точка крепления гибкой нити к измерительному цилиндрическому стержню, а также центр отверстия в корпусе находятся на оси измерительного цилиндрического стержня.

Такое конструктивное выполнение заявляемого устройства позволяет осуществить измерение больших линейных размеров объекта до 100 мм и более при высоком разрешении и точности, заключенной в субмикронной области.

На фиг. 1 изображена конструкция ГИМТ; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1.

ГИМТ содержит корпус 1, измерительный цилиндрический стержень (ИС) с наконечником 2, измерительную дифракционную решетку 3, индикаторную дифракционную решетку 4. Стержень с наконечником 2 цилиндрической формы выполнен с продольным срезом 5 и имеет в области среза сквозной продольный паз 6. Опоры выполнены в виде двух узлов. Один из узлов включает три подшипника (фиг. 2), из которых оси подшипников 7 и 8 жестко связаны с корпусом 1, а ось подшипника 9 подпружинена в направлении радиуса цилиндрической поверхности ИС, второй узел (фиг.3) состоит из четырех подшипников, из которых оси подшипников 10, 11 и 12 жестко связаны с корпусом, а ось подшипника 13 подпружинена в направлении радиуса цилиндрической поверхности ИС. Кроме того жестко с корпусом связана осветительная система (фиг.1), состоящая из источника 14 излучения, коллиматора 15, отражающего зеркало 16 и фотоприемной матрицы 17, содержащей не менее двух фотоприемников.

В описываемом варианте выполнения устройства содержится также гибкая нить 18, один конец связан с ИС и проходит через отверстие в корпусе 19, а второй конец находится в свободном состоянии. Причем точка крепления гибкой нити 20 и отверстие в корпусе 19 расположены соосно с ИС. К свободному концу гибкой нити прикреплен шарик 21.

Принцип работы ГИМТ для измерения линейных размеров объектов заключается в следующем.

Пучок излучения, генерируемый источником 14 (фиг.1), коллимируется коллиматором 15, отражается от зеркала 16 и падает на решетки 4, 3. В поле интерференционных полос, образующихся за решетками, устанавливается матрица 17 фотоприемников, которая преобразует распределение интенсивности интерференционных полос в электрические сигналы. При смещении ИС с наконечником 2 во время определения линейного размера объекта решетка 3, жестко связанная с наконечником 2, смещается относительно решетки 4, и на выходах фотоприемников матрицы 17 формируются переменные электрические сигналы, сдвинутые по фазе на 90^о. Эти сигналы поступают затем в блок электроники (2), где с помощью компаратора формируются счетные импульсы, по которым определяется линейный размер объекта.

Шарик 21, связанный с гибкой нитью 18, используется для принудительного перемещения ИС наконечника 2 во время процесса измерения. Крепление гибкой нити 18 на оси ИС наконечника 2 в точке нити 20 и ее прохождение через отверстие в корпусе 19, соосной с осью ИС, устраняет боковые воздействия на ИС. Установка трех подшипников 7, 10 и 11 в контакте с плоскостью продольного среза 5 позволяет осуществить параллельное перемещение решетки 3 относительно решетки 4 в плоскости, параллельной плоскости среза, и параллельно измерительной линии и приводит к сохранению постоянства периода интерференционных полос на протяжении всего измеряемого линейного размера объекта, в результате чего увеличивается точность измерений. Установка решетки 3 в продольном сквозном пазу 6 позволяет совмещать ось ИС с измерительной линией, приводят к исключению дополнительных ошибок при измерениях. Конструктивные особенности двух узлов опор позволяют компенсировать люфт ИС, и, следовательно, увеличить точность измерений благодаря креплению подшипников 8 и 12 таким образом, что их оси жестко связаны с корпусом, а оси подшипников 9 и 13, подпружиненные в направлении соответствующих радиусов цилиндрической поверхности ИС. Подшипники 7, 10 и 11 позволяют сохранять постоянный зазор между решетками 3 и 4.

Конструкция ГИМТ, содержащая узел с подшипниками, позволяет сократить необходимую длину пробега подшипников, по сравнению с той длиной, которая требуется в конкретном приведенном примере, и, следовательно, позволяет уменьшить габариты ГИМТ при сохранении точности измерений. Конструкция предлагаемого ГИМТ увеличивает точность определения линейного размера объекта по следующим соображениям.

В предлагаемом устройстве ГИМТ измерительный элемент в виде скрученной ленты заменен системой из двух дифракционных решеток. Равномерность распределения штрихов, в частности, голографической дифракционной решетки, может быть очень высокой и достигает величины 0,1 мкм на 100 мм и выше. Это замена снимает также ограничение по величине определяемого линейного размера объекта, так как длина решетки 3 может быть неограниченной.

Конструктивные особенности опор таковы, что они позволяют осуществить параллельное перемещение решетки 3 относительно решетки 4 вдоль оси ИС с высокой степенью точности, в результате чего точность ГИМТ практически сохраняет точность решетки 3. Эти особенности следующие: все действующие усилия приведены к оси ИС; охват измерительного элемента (решеток 3, 4) опорами симметричен относительно измерительной линии таким образом, что центр тяжести системы всех опор находится на измерительной линии; база опор, т. е. расстояние между двумя узлами опор устройства, может быть увеличена по сравнению с прототипом.

Фиксированные и подпружиненные подшипники, находящиеся в контакте с цилиндрической поверхностью ИС, компенсируют радиальный люфт ИС. Отсутствие поворотов ИС из-за присутствия в конструкции ГИМТ плоскости продольного среза.

Увеличивается величина определяемого линейного размера объекта при сохранении габаритов ГИМТ благодаря идентичности конструкции первого и второго узлов опор.

Такое конструктивное выполнение заявляемого устройства позволяет определять линейные размеры до 100 мм и более с точностью 0,1 мкм и делает возможным применять его в промышленности для определения линейных размеров объектов.

Таким образом заявляемое изобретение обеспечивает высокую точность определения больших линейных размеров объекта, больших размеров, чем у прототипа. В качестве измерительного элемента использовались две голографические решетки с частотой штрихов 1000 лин/мм. Длина решетки 3 равнялась 50 мм. Матрица фотоприемников состояла из трех фотодиодов. Количество подшипников, перемещающихся по поверхности продольного среза, равнялось трем. Точность измерения достигала 0,1 мкм на всю длину и равнялась цене деления.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в машиностроении, оптико-механической промышленности. Головка измерительная микрометрическая содержит корпус, размещенные в нем опоры, выполненные в виде разнесенных по длине измерительного цилиндрического стержня двух узлов. На одном конце измерительного стержня закреплен наконечник, на другом - привод его перемещения в виде гибкой нити и шарика, закрепленного на другом ее конце. Измерительный цилиндрический стержень выполнен с плоским продольным срезом, плоскость среза которого параллельна оси стержня, и сквозным продольным пазом, симметричным относительно оси измерительного стержня и перпендикулярным плоскости среза. Измерительный узел выполнен в виде жестко связанных с корпусом осветителя, фотоприемника и двух дифракционных решеток, одна их них измерительная, расположена в пазу измерительного стержня так, что плоскость ее решетки параллельна плоскости среза, а ее штрихи перпендикулярны оси измерительного стержня, вторая решетка индикаторная, жестко связана с корпусом и ее плоскость параллельна плоскости измерительной решетки. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ МИКРОМЕТРИЧЕСКАЯ ГОЛОВКА "ТУБОР".