УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАДАНИЯ ПЛОСКОСТИ ГОРИЗОНТА Российский патент 1997 года по МПК G01C15/14 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам для высокоточного задания плоскости горизонта, и с применением автоколлимационного устройства может быть использовано для определения, измерения и ориентации объекта относительно плоскостей горизонта.

Известна конструкция маятникого датчика горизонта, содержащая корпус, маятник, жестко скрепленные с ним зеркало, карданный шарнир, демпфирующее устройство. Причиной, препятствующей получению высокой точности задания плоскости горизонта, является отсутствие возможности компенсации угла рассогласования между нормалью плоского зеркала и истинной вертикалью (силой тяжести, приложенной к плоскому зеркалу) до нескольких угловых секунд, а также отсутствие защиты от вибрационного фона [1]
Наиболее близким по технической сущности является устройство для задания плоскости горизонта, содержащее контейнер, заполненный жидкостью и установленный на вращающемся основании, плоское зеркало, поплавок, соединенный с корпусом через карданный шарнир, уровень, установленный на контейнере [2]
Причинами, препятствующими получению высокой точности задания плоскости горизонта, являются: наличие вязкой среды, в которой находится поплавок, установленный на кардановом подвесе, отсутствие возможности компенсации угла рассогласования между выталкивающей силой поплавка и нормалью плоского зеркала, отсутствие возможности уменьшить момент трения покоя в шарикоподшипниках карданового шарнира.

Задачей изобретения является создание устройства для задания плоскости горизонта. Технический результат повышение точности установки зеркала в плоскости горизонта.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для задания плоскости горизонта, содержащее корпус с жидкостью, установленный на основании с возможностью поворота вокруг вертикальной оси основания, отражатель, уровень, поплавок, погруженный в жидкость и связанный с корпусом через первый двухкоординатный кардановый шарнир, второй двухкоординатный кардановый шарнир, в отличие от известного устройства дополнено демпфером, содержащим подвижную и неподвижную части, компенсаторами и грузами, второй двухкоординатный кардановый шарнир выполнен из трех колец и полого цилиндра, установленных концентрично относительно вертикальной оси основания, при этом первое и второе кольца, а также третье кольцо и полый цилиндр выполнены с возможностью попарного, соосного качания во взаимоперпендикулярных плоскостях, кроме того, первое кольцо связано с поплавком, а третье кольцо связано со вторым кольцом, причем на торце полого цилиндра со стороны основания закреплен отражатель, а на противоположном торце перекрестие, первое и третье кольца снабжены грузами, статически уравновешенными относительно осей качания первого и третьего колец и закрепленными на разной высоте, неподвижная часть демпфера закреплена на корпусе, а подвижная на полом цилиндре, на подвижной части демпфера и на поплавке установлены компенсаторы. Отражатель выполнен в виде зеркального куба, а корпус снабжен четырьмя окнами, расположенными напротив вертикальных граней куба.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства с выполнением отражателя в виде плоского зеркала; на фиг. 2 принципиальная схема устройства, вид сверху; на фиг. 3 принципиальная схема устройства с выполнением отражателя в виде зеркального куба.

Устройство содержит корпус, установленный на основании 1 и выполненный в виде двух полых цилиндров 2 и 3, установленных соосно, причем полый цилиндр 3 установлен в цилиндре 2 и соединен с ним посредством кольца 4. Объем между цилиндрами 2 и 3 и кольцом 4 заполнен жидкостью 5, в которой установлен поплавок 6, соединенный с цилиндром 2 через первый двухкоординатный карданный шарнир 7, две закрепленные на поплавке 6 стойки 8, в которых на двух полуосях 9 установлен второй двухкоординатный кардановый шарнир, содержащий кольца 10, 11, 12, полый цилиндр 13, полуоси 14, 15, 16, подшипники 17, 18, 19, 20. Кольца 10, 11, 12, полый цилиндр 13 и поплавок 6 расположены соосно относительно вертикальной оси цилиндра 2, вертикальная ось которого совмещена с вертикальной осью основания 1. Корпус устройства установлен на основании 1 с возможностью вокруг вертикальной оси основания 1. Первое кольцо 10 второго двухкоординатного шарнира содержит два сквозных отверстия, геометрические оси которых лежат на одной прямой и проходят через геометрический центр первого кольца 10. В каждом из двух отверстий первого кольца 10 установлено по подшипнику 17 и 18. Первое кольцо 10 второго двухкоординатного шарнира установлено на полуосях 9 в шарикоподшипниках 17, а второе кольцо двухкоординатного шарнира в первом кольце 10 на двух полуосях 14, в подшипниках 18, с возможностью соосного качания колец 10, 11 на оси, образованной полуосями 9, 14. Третье кольцо 12 второго двухкоординатного шарнира установлено во втором кольце 11 на полуосях 15 второго кольца 11, в подшипниках 19. Геометрические оси, образованные полуосями 14 и 15 кольца 11, взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости. Центр пересечения геометрических осей, образованных полуосями 14 и 15, совпадает с геометрическим центром второго кольца 11. Третье кольцо 12, так же как и первое кольцо 10, содержит два сквозных отверстия, геометрические оси которых лежат на одной прямой и проходят через геометрический центр третьего кольца 12. В каждом из двух отверстий третьего кольца 12 установлено по подшипнику 19 и 20. Полый цилиндр 13 установлен в третьем кольце 12 на полуосях 16 в подшипниках 20. Геометрические оси полуосей 16 полого цилиндра 13 лежат на одной прямой, которая проходит через ось симметрично полого цилиндра 13. Третье кольцо 12 и полый цилиндр 13 установлены с возможностью их соосного качания на геометрической оси, образованной полуосями 15 и 16. Геометрические оси, образованные полуосями 9, 14 и 15, 16, лежат в одной горизонтальной плоскости и взаимно-перпендикулярны. Первое кольцо 10 и третье кольцо 12 снабжены статически уравновешенными относительно оси качания первого кольца 10 (полуоси 9, 14) грузами 21, 22 и третьего кольца 12 (полуоси 15, 16) грузами 23, 24. Грузы 21, 22, 23, 24 установлены на разной высоте. На торце полого цилиндра 13 со стороны основания 1 закреплен отражатель 25 (двухстороннее плоское зеркало). На противоположном торце полого цилиндра 13 установлено перекрестие 26, центр которого совпадает с осью симметрии полого цилиндра 13. На цилиндре 2 закреплена неподвижная часть демпфера 27, а на полом цилиндре 13 подвижная часть демпфера 28. На подвижной части демпфера 28 установлено компенсационное устройство 29, а на стойках 8 компенсационное устройство 30. Основание 1 снабжено тремя винтами 31. На корпусе устройства установлен уровень 32. Отражатель 25 может быть выполнен в виде зеркального куба 33, а полый цилиндр 2 с четырьмя отверстиями 34, расположенными напротив боковых граней куба 33.

Устройство работает следующим образом.

Винтами 31 основания 1 по уровню 32 выставляют вертикальную ось полого цилиндра 2 в вертикальное положение. Под действием выталкивающей силы, находящейся в жидкости 5, поплавок 6 (грубо), а полый цилиндр 13 под действием силы тяжести (точно) самоустанавливают отражающие поверхности двухстороннего плоского зеркала 25 параллельно плоскости горизонта (направление нормали отражающей поверхности зеркала 25 совпадает с вертикальной осью полого цилиндра 2). Угловую погрешность самоустановки отражающей поверхности плоского зеркала 25 в плоскость горизонта определяют с помощью двухкоординатного автоколлиматора по автоколлимации от отражающей поверхности зеркала 25. Автоколлимацию по поверхности зеркала 25 снимают по двум взаимноперпендикулярным направлениям шкалы автоколлиматора Ax_I и Ay_I. Разворачивают корпус устройства вокруг вертикальной оси основания 1 на 180^o. При развороте корпуса устройства на кольцах 10 и 12 под действием центробежных сил возникает маятниковый момент, образованный за счет разности моментов масс грузов 21 и 22, 23 и 24 относительно оси качания каждого из колец 10, 12. При этом недемпфируемые кольца 10 и 12 совершат более продолжительные колебания, чем демпфируемый полый цилиндр 13. Таким образом уменьшается трение покоя шарикоподшипников 17, 18, 19, 20 и повышается чувствительность второго двухкоординатного шарнира. По автоколлиматору снимают второй отсчет Ax₂ и Ay₂. Положение плоскости горизонта определяют по среднему значению от полученных отсчетов по автоколлиматору.

Устранение угла рассогласования между нормалью двухстороннего плоского зеркала 25 и истинной вертикалью производят с помощью компенсационных устройств 29, 30, что позволяет повысить точность работы с устройством за счет уменьшения систематической погрешности устройства. Компенсационное устройство 30 компенсирует угол между выталкивающей силой поплавка 6 и вертикальной осью поплавка 6 до десятков угловых секунд, контроль осуществляется по перекрестию 26 при вращении корпуса устройства на 360^o вокруг вертикальной оси основания 1. Компенсационное устройство 29 компенсирует угол между направлением нормали двухстороннего плоского зеркала 25 и направлением силы тяжести, приложенной к полому цилиндру 13, до нескольких угловых секунд; контроль осуществляется автоколлиматором по автоколлимации от зеркала 25.

При наклоне корпуса устройства на некоторый угол, порядка нескольких угловых минут, поплавок 6 и полый цилиндр 13 будут стремиться сохранить неизменным свое первоначальное положение относительно выталкивающей силы и силы тяжести. Взаимное положение поплавка 6 и полого цилиндра 13 сохраняется. Работа с устройством, в котором отражатель выполнен в виде зеркального куба 33, аналогична вышеизложенной. Устройство с зеркальным кубом 33 будет задавать прямоугольную систему координат, две оси которой будут лежать в плоскости горизонта, а третья ось будет совпадать с направлением истинной вертикали.

Наличие жидкости 5 и поплавка 6, погруженного в нее, повышает виброзащищенность устройства, кроме того, повышение чувствительности двойного двухкоординатного шарнира за счет более продолжительных колебаний колец 10, 12, чем полого цилиндра 13, которые вызваны грузами 21-24, при вращении корпуса устройства вокруг вертикальной оси основания 1, а также введение компенсации угла рассогласования между выталкивающей силой поплавка и геометрической осью поплавка, между силой тяжести, приложенной к полому цилиндру и нормалью плоского зеркала все это позволяет повысить точность устройства, а также улучшить удобства работы с ним.

Использование в устройстве в качестве отражателя зеркального куба 33 позволяет расширить функциональные возможности устройства от задания плоскости горизонта до высокоточного формирования базовой прямоугольной системы координат горизонтальными и вертикальными отражающими гранями зеркального куба.

Использование: измерительная техника для высокоточного задания плоскости горизонта, определения, измерения и ориентации объекта относительно плоскости горизонта. Сущность изобретения: устройство содержит корпус с жидкостью, установленный на основании с возможностью поворота вокруг вертикальной оси основания, отражатель, уровень, поплавок, погруженный в жидкость и связанный с корпусом посредством первого карданного шарнира, второй карданный шарнир. В устройство введен демпфер, содержащий подвижную и неподвижную части, неподвижная часть которого закреплена на корпусе, а подвижная на полом цилиндре, компенсаторы, установленные на поплавке и подвижной части демпфера; второй карданный шарнир установлен на поплавке и состоит из трех колец и полого цилиндра, первое и третье кольца шарнира снабжены статически уравновешенными относительно оси качания грузами, расположенными на разной высоте; перекрестие закреплено на торце полого цилиндра, на другом конце которого, со стороны оснований, закреплен отражатель. Отражатель может быть выполнен в виде плоского зеркала или куба. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для задания плоскости горизонта, содержащее корпус с жидкостью, установленный на основании с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, отражатель, поплавок, погруженный в жидкость и связанный с корпусом через первый двухкоординатный кардановый шарнир, второй двухкоординатный кардановый шарнир, уровень и компенсаторы, отличающееся тем, что оно дополнено демпфером, содержащим подвижную и неподвижную части, и грузами, причем поплавок и корпус установлены соосно с вертикальной осью основания, а второй двухкоординатный кардановый шарнир выполнен из трех колец и полого цилиндра, установленных соосно с вертикальной осью основания, при этом первое и второе кольца, а также третье кольцо и полый цилиндр выполнены с возможностью попарного соосного качания во взаимно перпендикулярных плоскостях, первое кольцо связано с поплавком, а третье кольцо с вторым кольцом, причем на торце полого цилиндра со стороны основания закреплен отражатель, а на противоположном торце перекрестие, грузы установлены на первом и третьем кольцах, статически уравновешены относительно осей качания первого и третьего колец и закреплены на разной высоте, неподвижная часть демпфера закреплена на корпусе, а подвижная на полом цилиндре, на подвижной части демпфера и на поплавке установлены компенсаторы. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отражатель выполнен в виде зеркального куба, а корпус снабжен четырьмя окнами, расположенными напротив вертикальных граней куба.