ОПТИЧЕСКОЕ ТРЕХКООРДИНАТНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ВИБРОСМЕЩЕНИЙ Российский патент 1999 года по МПК G01H9/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения вибросмещений деталей, узлов, конструкций.

Известно устройство, реализующее способ контроля вибросмещений (патент Российской Федерации N 1666927, кл. G 01 H 9/00, 1991), содержащее источник света, зеркальный отражатель, закрепленный на исследуемом объекте, выполненный в виде углового зеркала с полупрозрачной гранью, ребро которого закреплено в контролируемой точке, фотоприемник.

Недостатками этого устройства являются ограниченность и низкая точность контроля угловых наклонов вибрирующей поверхности.

Ограниченность обусловлена тем, что в устройстве возможно определение вибросмещений точки О колеблющейся поверхности только вдоль одной оси X, т. е. одномерные смещения. При виросмещениях воль двух других направлений Y и Z луч света не смещается, и зарегистрировать такие вибросмещения устройством (патент Российской Федерации N 1666927, кл. G 01 H 9/00, 1991) невозможно.

Низкая точность контроля угловых наклонов вибрирующей поверхности обусловлена тем, что в устройстве исключается влияние угла наклона объекта исследования только вокруг одной оси, совпадающей с ребром углового зеркала с полупрозрачной гранью. При любых других поворотах колеблющейся поверхности вокруг точки О, угол поворота приводит к смещению отраженного светового луча на фотоприемной поверхности, даже если колеблющаяся поверхность не испытывает поступательных смещений.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является оптический виброметр трехкоординатный (патент US N 4768381 от 06.09.88 г., кл. G 01 H 9/00), содержащий источник света, оптическую систему разделения луча света, отражатель, закрепленный в контролируемой точке, фотоприемник и вычислительный блок. Отражатель выполнен в виде конуса, причем его вершина закреплена в контролируемой точке.

Недостатками этого устройства (прототип) являются: 1) сложность и громоздкость оптической системы разделения луча света, 2) низкая точность контроля угловых наклонов вибрирующей поверхности, 3) низкая точность измерения величины вибросмещения.

Сложность и громоздкость обусловлена тем, что в прототипе луч света перед падением на отражатель разделяется оптический системой на два луча, которые и используются для определения величины вибросмещения.

Низкая точность контроля угловых наклонов вибрирующей поверхности обусловлена тем, что в прототипе, если и возможно исключение влияния угла наклона объекта исследования, то только вокруг одной оси, перпендикулярной к плоскости, в которой лежит переотраженный от отражателя луч света. При любых других поворотах колеблющейся поверхности вокруг точки О, угол поворота приводит к смещению отраженного светового луча, даже если колеблющаяся поверхность не испытывает поступательных смещений.

Сложность и громоздкость оптической системы разделения луча, низкая точность контроля угловых наклонов вибрирующей поверхности в прототипе, в целом, приводят к низкой точности измерения величины вибросмещения.

Целью изобретения является упрощение оптической системы устройства, повышение точности контроля угловых наклонов вибрирующей поверхности и, в конечном итоге, повышение точности измерения величины вибросмещения.

Указанная цель достигается тем, что в оптическое трехкоординатное устройство контроля вибросмещений, содержащее источник света, отражатель, закрепленный в контролируемой точке, фотоприемник и вычислительный блок, дополнительно введены усилитель и индикатор, а отражатель выполнен в виде прямоугольного зеркального триэдра, центр которого закреплен в контролируемой точке, причем на его отражающие поверхности нанесена координатная сетка.

По сравнению с наиболее близким аналогичным решением (прототип, патент US N 4768381 от 06.09.88 г., кл. G 01 H 9/00) заявляемое техническое решение имеет следующие отличительные признаки:
- отражатель имеет форму прямоугольного зеркального триэдра, центр которого закреплен в контролируемой точке;
- на отражающие поверхности зеркального триэдра нанесена координатная сетка;
- зеркальный триэдр расположен по отношению к лучу света так, чтобы луч света последовательно отразился от каждой внутренней грани перед падением на фотоприемную поверхность;
- дополнительно содержит усилитель и индикатор.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "новизна".

В предложенном устройстве новый тип отражателя, его закрепление на контролируемой поверхности, его расположение по отношению к лучу света дают возможность исключить оптическую систему, разделяющую луч света на два луча, т. е. позволяют проводить измерение вибросмещения посредством одного луча света. Это упрощает устройство и, в конечном итоге, повышает точность измерения величины вибросмещения. Новые отличительные признаки заявляемого устройства исключают влияние на величину вибросмещения угла поворота колеблющейся плоскости вокруг любой оси, проходящей через контролируемую точку О. В прототипе, если и возможно исключение влияния на величину вибросмещения угла наклона колеблющейся плоскости, то только вокруг одной оси, перпендикулярной к плоскости, в которой лежит переотраженный от отражателя луч света. Поэтому заявляемое устройство повышает точность контроля угловых наклонов вибрирующей поверхности и, в конечном итоге, точность измерения величины вибросмещения.

Следовательно, заявляемое техническое решение, соответствует требованию "положительный эффект".

В заявляемом техническом решении форма отражателя с нанесенной на отражательные поверхности координатной сеткой, закрепление вершины отражателя в контролируемой точке О, расположение отражателя по отношению к лучу света приводит к неожиданному эффекту - переотраженный луч смещается в пространстве только при вибросмещениях точки О. Если контролируемая точка О не смещается, даже, если при этом, поворачивается колеблющаяся поверхность вокруг любой оси, проходящий через точку О, то переотраженный луч не смещается в пространстве. Такое поведение переотраженного луча, вид отражателя и позволяют, в конечном итоге, получить указанный выше положительный эффект в предлагаемом изобретении.

Анализ существующих технических решений показал, что перечисленные признаки отсутствуют в этих решениях.

Следовательно, перечисленные отличительные признаки обеспечивают соответствие заявляемого технического решения требованию "существенные отличия".

Фиг. 1 иллюстрирует общий характер переотражения луча света от прямоугольного зеркального триэдра; на фиг. 2 показано оптическое трехкоординатное устройство контроля вибросмещений.

В предложенном устройстве используется свойство прямоугольного триэдра зеркал (прямоугольный зеркальный триэдр) не смещать переотраженный луч света в пространстве при произвольных поворотах прямоугольного зеркального триэдра, когда неподвижным является только центр прямоугольного зеркального триэдра - точка взаимного пересечения трех граней.

Известно, что прямоугольный триэдр зеркал "при отражении преобразует направления всех падающих лучей на противоположные", т.е. антипараллельные (см. , например: Погарев Г.В., Киселев Н.Г. Оптические юстировочные задачи. Л.: Машиностроение, 1989, с. 26).

Известно, что для прямоугольного зеркального триэдра недейственны любые повороты вокруг точки взаимопересечения зеркал (см., например: Погарев Г.В. Оптические юстировочные задачи: Справочное пособие. - Л.: Машиностроение, 1974, с. 74-75). Это означает, что прямоугольный зеркальный триэдр не смещает в пространстве отраженные лучи при произвольных поворотах вокруг неподвижного центра прямоугольного зеркального триэдра.

Смещение точки О - вершины прямоугольного зеркального триэдра вдоль любой из осей OX, OY, OZ (см. фиг. 1) приводит к смещениям в пространстве переотраженого луча. Регистрируя величину смещения переотраженного луча, можно найти величину вибросмещения вдоль любой из трех осей OX, OY, OZ. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет измерить вибросмещения вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений, т.е. является трехкоординатным.

Измерения осуществляются посредством одного луча света. Отпадает необходимость в оптической системе разделения луча света (прототип), которая вносит дополнительные систематические погрешности измерения величины вибросмещения. Следовательно, повышается точность измерения величины вибросмещения.

В предложенном устройстве, если колеблющаяся поверхность только поворачивается (изгибается и т.д.) и при этом точка О не смещается, то по указанным выше свойствам, и переотраженный луч не смещается в пространстве, т.е., фактически, не вносится (исключается) ошибка в измеряемую величину вибросмещения. Это повышает точность контроля угловых наклонов вибрирующей поверхности, и, в целом, точность измерения величины вибросмещения.

Регистрация смещения луча света, "выходящего" из отражателя (луч на фиг. 1), в пространстве при смещении вибрирующей точки О может быть осуществлена различными способами. Конкретные расчетные соотношения, связывающие вибросмещение точки О и регистрируемое смещение луча в пространстве, определяется вариантом выбранной схемы регистрации из условий: характера смещений, диапазона смещений и т.д. Получение таких соотношений является общеизвестной инженерной задачей.

В качестве примера, в материалах заявки рассматривается случай, когда смещение луча в пространстве регистрируется на плоскости, параллельной плоскости XOZ (см. фиг. 1). Выходящий из прямоугольного зеркального триэдра луч падает на плоскость, например, фоточувствительную, параллельную плоскости XOZ. В этом случае смещение луча в пространстве, фактически, регистрируется по смещению т. 3 (полученной от луча или его продления) на плоскости XOZ (см. фиг.1). Смещение т.3 на плоскости XOZ в этом случае равно смещению светящейся точки от луча на приемной плоскости регистрирующего приора.

В процессе вывода формул, связывающих вибросмещения точки О со смещением луча на фотоприемной поверхности, автор заявки использует общеизвестные обозначения координат точек, направляющих косинусов векторов, систем координат и т.д. аналитической геометрии и векторной алгебры.

Постановка задачи определения вибросмещения
На прямоугольный зеркальный триэдр OXYZ (фиг. 1) падает луч света, орт которого (A_x, A_y, A_z). Луч падает в точку 1, с координатами т. 1 (x₁, y₁. 0). Орт переотраженного луча, найденный из векторной формы закона отражения (см., например: Погарев Г.В., Киселев Н.Г. Оптические юстировочные задачи. Л. : Машиностроение, 1989, с. 5, формула (1)) имеет направляющие косинусы (-A_x, -A_y, -A_z). Луч "выходит", как это видно из фиг. 1, из точки 3 с координатами т. 3 (x₃, O, z₃).

Рассматривается изменение положения прямоугольного зеркального триэдра OXYZ в новое O'X'Y'Z'.

Пусть, при этом, вершина прямоугольного зеркального триэдра т. О сместилась в пространстве на Δx,Δy,Δz вдоль соответствующих осей. Система координат OXYZ переходит в новое положение O'X'Y'Z'. Новое положение вершины О' имеет в системе OXYZ координаты x₀, y₀, z₀. Очевидно:
Δx = x₀,Δy = y₀,Δz = z₀ (1)
Точка 3 на плоскости XOZ смещается и занимает новое положение с координатами (x₃₃, О, z₃₃).

Необходимо выразить Δx,Δy,Δz через Δx₃= x₃₃-x₃,Δz₃= z₃₃-z₃ - смещения светящейся точки на плоскости XOZ и направляющие косинусы луча (A_x, A_y, A_z).

Решение задачи определения вибросмещения
В системе координат OXYZ координаты т.3 выражаются через координаты т.1 и направляющие косинусы луча - по формулам.

x₃ = (A_x/A_y) • y₁-x₁ (2)
z₃ = (A_z/A_y) • y₁ (3)
Для получения соотношений (2) и (3) используются канонические уравнения лучей, отраженных от т. 1 и т.2 (см. фиг. 1), уравнения плоскостей YOZ и XOZ. Это типичная задача аналитической геометрии (см., например: Ильин В.А., Поздняк Э.Г. Аналитическая геометрия. М.: Наука, 1968), поэтому автор заявки приводит только окончательные выражения.

Координаты точек систем координат OXYZ и O'X'Y'Z' связаны известными соотношениями:
x' = x - x_o, y' = y-y₀, z' = z-z₀ (4)
где x, y, z - координаты точек в системе координат OXYZ;
x', y' z' - координаты точек в системе координат O'X'Y'Z'.

Координаты точки 1 из системы координат OXYZ в системе координат O'X'Y'Z': x'₁₁, y'₁₁, z'₁₁, тогда выражаются через координаты т.1 и величины смещения по формулам:
x'₁₁=x'₁-x₀. y'₁₁=y₁-y₀, z'₁₁=-z₀ (5)
Координаты точки 1' (x'₁, y'₁, z'₁) - точки падения луча на плоскость X'O'Y' - легко находятся из системы уравнений, в которой используется каноническая форма прямой (по лучу ), проходящей через точку 1 и уравнение плоскости X'O'Y':

Отсюда, используя (5), получается;

Используя формулы (7) и (2), (3), находятся координаты точки 3' - точки пересечения выходящего луча с плоскостью X'O'Y' в системе координат O'X'Y'Z':

Координаты точки пересечения прямой, идущей по выходящему лучу света, с плоскостью XOZ в системе X'O'Y'Z'-x'₃₃, y'₃₃, z'₃₃ находятся из системы уравнений, в которой используется каноническая форма прямой ( по лучу ), проходящей через точку 3' и уравнение плоскости XOZ в системе O'X'Y'Z':

Отсюда, используя (8), получается:

Координаты этой же точки на плоскости XOZ в системе координат OXYZ (x₃₃, 0, z₃₃) получаются из формул (4)

Из формул (2), (3), (1) и (11) следует:
Δx₃= x₃₃-x₃= 2•Δx-2•(A_x/A_y)•Δy, (12)
Δz₃= z₃₃-z₃= 2•Δz-2•(A_z/A_y)•Δy, (13)
Полученные соотношения позволяют определить величину вибросмещения по измеренным значениям Δx₃,Δz₃, A_x, A_y, A_z. В рассматриваемом случае соответствующие формулы имеют вид:
Δx = Δx₃/2 (14), если смещение точки О происходит только вдоль оси OX;
Δy = -A_y•Δx₃/(2•A_x) (15), если смещение точки О происходит только вдоль оси OY;
Δz = Δz₃/2 (16), если смещение точки О происходит только вдоль оси OZ;
Δx = 0,5•(Δx₃-(A_x/A_z)•Δz₃) (17), если смещение точки О происходит одновременно вдоль осей OX и OY, т.е. на плоскости XOY;
Δy = -A_y•Δz₃/(2•A_z) (18), если смещение точки О происходит одновременно вдоль осей OX и OY, т.е. на плоскости XOY;
Δy = -A_y•Δx₃/(2•A_x) (19), если смещение точки О происходит одновременно вдоль осей OY и OZ, т.е. на плоскости YOZ;
Δz = 0,5•(Δz₃-(A_z/A_x)•Δx₃) (20), если смещение точки О происходит одновременно вдоль осей OY и OZ, т.е. на плоскости YOZ;
Поставленная задача решена.

Таким образом, установив определенное положение луча (A_x, A_y, A_z) и измерив Δx₃ и Δz₃, в предложенном устройстве измеряется величина вибросмещения точки O колеблющейся поверхности в соответствии с формулами (14)-(20).

В предлагаемом изобретении установка определенных значений A_x, A_y, A_z осуществляется по координатам точек 1 и 3 (из фиг. 1) на основе соотношений (2) и (3). В расчете соотношения для величин вибросмещения точки О (формулы (14)-(20)) входят отношения направляющих косинусов луча Поэтому возможно непосредственно установить отношения направляющих косинусов луча по известным координатам точки 1 и точки 3. Из формул (2) и (3) следует:
A_y/A_x=y₁/(x₃+x₁) (21)
A_x/A_z=(x₃+x₁)/Z₃ (22)
A_y/A_z=y₁/Z₃ (23)
A_z/A_x=Z₃/(x₃+x₁) (24)
Таким образом, по известным значениям смещения луча и известным координатам точек 1 и 3 (из фиг.1) могут быть найдены величины вибросмещений Δx,Δy,Δz точки О, в соответствии с формулами (14)-(24).

Автор заявки считает, что направляющие косинусы могут быть определены и другими методами. Поэтому автор заявки не счел необходимым в окончательных соотношениях для Δx,Δy и Δz формул (14)-(20) заменять отношения направляющих косинусов их выражениями через координаты точек 1 и 3 (формулы (21)-(24)).

Оптическое трехкоординатное устройство контроля вибросмещений, изображенное на фиг. 2, содержит источник света 1, отражатель 2, фотоприемник двухкоординатный 3, усилитель двухканальный 4, вычислительный блок 5, индикатор 6.

Отражатель 2 представляет собой прямоугольный зеркальный триэдрб составленный из прямоугольных призм (например, склеенных), как показано на фиг. 2. Поверхности, на которые падает луч света, имеют внешнее отражающее покрытие (например, зеркальное). На отражающие поверхности нанесена координатная сетка (для определения координат точек 1 и 3 из фиг. 1).

Зеркальный триэдр располагается так, что его вершина совпадает (или закрепляется) с точкой О, вибросмещение которой измеряется.

Источник света 1 располагается так, что луч света последовательно отражается от граней зеркального триэдра 2.

Отраженный луч падает на фотоприемную поверхность двухкоординатного фотоприемника 3. Фоточувствительная плоскость располагается параллельно грани зеркального триэдра 2, от которой отражается выходящий луч света.

Назначение вычислительного блока 5 - по введенным в него данным (см. фиг. 2) вырабатывать электрические напряжения, пропорциональные вибросмещениям Δx,Δy,Δz.
Назначение индикатора 6 - регистрировать величины вибросмещений Δx,Δy,Δz. В качестве индикатора могут использоваться: осциллограф, шлейфовый осциллограф, самописец и т.д.

Устройство работает следующим образом.

Закрепляют в контролируемой точке О зеркальный отражатель 2. От источника света 1 направляют луч света на зеркальный отражатель 2, так чтобы луч последовательно отразился от каждой грани отражателя 2. По координатной сетке на гранях отражателя измеряют координаты первой точки отражения и третьей точки отражения, т.е. x₁, y₁, x₃, z₃. Значения координат x₁, y₁, x₃, z₃ вводят (с запоминанием) в вычислительный блок 5. Переотраженный луч падает на фоточувствительную поверхность фотоприемника 3.

При возникновении вибросмещений фотоприемник 3 вырабатывает два сигнала, пропорциональные смещениям выходящего луча, т.е. Δx₃ и Δz₃. Эти два сигнала подаются на вход двухканального усилителя 4. С выходов усилителя 4 два сигнала, пропорциональные Δx₃ и Δz₃, подаются на вычислительный блок 5. Вычислительный блок, по веденным в него данным: x₁, y₁, x₃, z₃, Δx₃,Δz₃, вырабатывает сигналы, равные (пропорциональные) Δx,Δy,Δz, в соответствии с формулами (14)-(24). Сигналы, пропорциональные вибросмещениям контролируемой точки О Δx,Δy,Δz, с выхода вычислительного блока 5 подаются на индикатор 6, в котором осуществляется регистрация измеренных значений величин вибросмещений Δx,Δy,Δz.
Экономический эффект от применения предложенного оптического трехкоординатного устройства, в первую очередь, заключается в том, что без перемонтажа контактного элемента (зеркальный триэдр) и регулирования всего устройства возможно проводить измерения вибросмещений вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений. Во-первых, в устройстве исключается оптическая система, разделяющая луч света на два луча. Измерение вибросмещения производится посредством одного луча света. Это упрощает устройство и, в конечном итоге, уменьшает его стоимость. В-третьих, в предложенном устройстве исключается влияние на величину измеряемого вибросмещения угловых поворотов (без смещения) контролируемой поверхности вокруг любой оси, проходящей через контролируемую точку О. Это повышает точность измерения величины вибросмещения, т. е. эффективность предложенного оптического трехкоординатного устройства контроля вибросмещений.

Оптическое трехкоординатное устройство контроля вибросмещений содержит источник света, отражатель, закрепленный в контролируемой точке, фотоприемник, усилитель, вычислительный блок и индикатор. Отражатель выполнен в виде прямоугольного зеркального триэдра, центр которого закреплен в контролируемой точке. На отражающие поверхности зеркального триэдра нанесена координатная сетка. Обеспечивается упрощение оптической системы, повышение точности контроля угловых наклонов и измерения величины вибросмещений. 2 ил.

Оптическое трехкоординатное устройство контроля вибросмещений, содержащее источник света, отражатель, закрепленный в контролируемой точке, фотоприемник и вычислительный блок, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит усилитель и индикатор, а отражатель выполнен в виде прямоугольного зеркального триэдра, центр которого закреплен в контролируемой точке, причем на его отражающие поверхности нанесена координатная сетка.