ТОЛЩИНОМЕР Российский патент 1999 года по МПК G01B7/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к приборам для измерения толщин линз и промежутков между ними в различных оптических сборках.

Появление высокоточных оптических деталей, изготовленных из пластмасс, сделало актуальным создание прибора для измерения толщины линз и, особенно, промежутков между линзами с измерительным давлением не более 0,5 Н, исключающего повреждение линз вследствие царапания измерительными наконечниками.

Известен вертикальный проекционный дальномер ИЗВ-3 [1], который состоит из основания с предметным столом и колонки, на которой закреплена измерительная головка с установленной внутри нее пинолью. Контролируемая деталь устанавливается на предметном столе с упором на контролируемую поверхность. При измерении деталей, ограниченных сферическими поверхностями, для нахождения правильного значения толщины (минимум показания прибора) деталь необходимо покачать на предметном столе. Это обстоятельство в сочетании с большим измерительным давлением прибора, составляющим 1,2±0,5 Н, неизбежно приводит к повреждению поверхностей деталей, изготовленных из мягких материалов, например пластмассовой оптики.

Указанный недостаток отсутствует в толщиномере [2], наиболее близком к предлагаемому изобретению, и выбранном в качестве прототипа.

Толщиномер содержит основание с корпусом, верхний подвижный измерительный наконечник со шкалой, нижний измерительный наконечник, жестко связанный со штоком с нониусом, с помощью которого снимаются отсчеты по шкале верхнего измерительного наконечника и центрирующее устройство для крепления детали, установленное на основании. Устранение указанного недостатка стало возможным в толщиномере [2] благодаря наличию центрирующего устройства для установки детали, а также благодаря тому, что нижний измерительный наконечник выполнен подвижным.

Недостатком этого толщиномера является низкая точность, обусловленная применением нониуса для отсчета по шкале и большое измерительное усилие, которое не может быть меньше, чем трение в подшипниках пиноли, штока и других элементов, связанных со штоком.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения при одновременном исключении возможности повреждения линз в процессе измерения.

Для достижения этого технического результата предлагается толщиномер, который как и наиболее близкий к нему, выбранный в качестве прототипа, содержит основание с корпусом и смонтированные в нем измерительную систему, состоящую из верхнего, снабженного первой шкалой, и нижнего измерительных элементов, имеющих возможность перемещения вдоль оси измерения, отсчетное устройство и центрирующее устройство для установки детали. Особенностью предлагаемого толщиномера, отличающей его от известного толщиномера [2], является то, что верхний и нижний измерительные элементы содержат соответственно, верхнюю и нижнюю пиноли, в которых установлены индуктивные преобразователи с измерительными штоками. Первая шкала расположена на верхней пиноли, а нижняя пиноль снабжена второй шкалой. Перемещение каждой из пинолей осуществляется при помощи ходовых гаек, кинематически связанных с электроприводами. Верхняя пиноль опирается на ходовую гайку, нижняя пиноль связана с ходовой гайкой упругим подвесом. Отсчетное устройство состоит из установленных в корпусе преобразователей линейных перемещений, сопряженных с первой и второй шкалами, и связанного с выходами индуктивных преобразователей и преобразователей линейных перемещений электронно-вычислительного комплекса, соединенного с электроприводами через блок управления.

Установка в верхней и нижней пинолях измерительной системы толщиномера высокоточных индуктивных преобразователей с измерительными штоками создает измерительное усилие не более 0,20 Н. Кинематическая связь между пинолями и электроприводом выполнена таким образом, что верхняя пиноль опирается на перемещающуюся по винту ходовую гайку. Благодаря этому вес пиноли не влияет на измерительное усилие. Нижняя пиноль поджата к гайке с помощью пружин, благодаря чему ее вес также не влияет на измерительное усилие. Таким образом, возможность повреждения линз в процессе измерения сведена к минимуму.

Установка в отсчетной системе толщиномера высокоточных преобразователей линейных перемещений, сопряженных с первой и второй шкалами, в отличие от использованного для отсчета в прототипе нониуса позволяет повысить точность измерения толщин линз и промежутков между ними, что в сочетании с электронно-вычислительным комплексом обеспечивает автоматизированную обработку результатов измерений.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого толщиномера.

Толщиномер содержит основание 1 с корпусом 2. Верхняя измерительная пиноль 3, имеющая возможность осевого перемещения в шарикоподшипниках 4, снабжена первой измерительной шкалой 5, представляющей собой измерительную дифракционную решетку. В нижней части верхней пиноли 3 установлен индуктивный преобразователь 6, в качестве которого может быть рекомендован преобразователь модели 75511-01, выпускаемый заводом "Измерон" (г. С-Петербург), имеющий диапазон измерения ±100 мкм и измерительное усилие 0,20 Н. Перемещение верхней пиноли 3 осуществляется с помощью ходовой гайки 7, на которую опирается верхняя пиноль 3. Ходовая гайка 7 перемещается по ходовому винту 8, который с помощью зубчатых колес 9 и 10 кинематически связан с электроприводом 11. В качестве электропривода 11 может быть использован серийно выпускаемый электродвигатель ДПМ35-Н1-02 ОСТ 16.0.515.022-76. Электродвигатель 11 управляется блоком управления приводом (БУП) 12, который получает команды от электронно-вычислительного комплекса (ЭВК) 13 через устройство ввода-вывода 14. В составе ЭВК 13 может быть использована ЭВМ типа IBM PC/AT, а блок управления приводом 12 может быть основан на принципе частотно-фазового сравнения задающей частоты, поступающей из ЭВМ с частотой импульсного сигнала, вырабатываемого частотным датчиком скорости вращения электродвигателя. Датчик скорости представляет собой диск с отверстиями и двумя парами светодиод-фотодиод. Аналоговая часть платы блока управления выполнена на микросхемах К544УД1А, а цифровая - на микросхемах серии К155. Нижняя пиноль 15 выполнена аналогично верхней, снабжена второй измерительной шкалой 16 и имеет возможность осевого перемещения в шарикоподшипниках 4. В ее верхней части установлен индуктивный преобразователь 17 модели 75511-01. Нижняя пиноль подвешена к входной гайке 18 с помощью двух пружин 19, которые поджимают пиноль 15 к упору 20 ходовой гайки 18, так как усилие растяжения пружин 19 больше веса нижней пиноли 15. Ходовая гайка 18 перемещается по ходовому винту 21, который через зубчатые колеса 22, 23 приводится во вращение электродвигателем 24, управляемым блоком управления 12, получающим команды от ЭВК 13 через устройство ввода-вывода 14. Индуктивные преобразователи 6 и 17, установленные в верхней 3 и нижней 15 пинолях, имеют измерительные штоки - верхний 25 и нижний 26. Сигналы, возникающие в обмотках индуктивных преобразователей 6 и 17 во время работы устройства, поступают в блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 27, в качестве которого может быть использован аналого-цифровой преобразователь вместе с устройством ввода-вывода типа L-154 (изготовитель L-card, г. С-Петербург). В АЦП 27 поступившие сигналы преобразуются в цифровой код и поступают в ЭВМ, входящую в состав ЭВК 13. На корпусе 2 устройства смонтированы два блока считывания, входящие в преобразователи линейных перемещений 28 и 29, каждый из которых сопряжен с соответствующей дифракционной решеткой 5 и 16. В качестве высокоточных преобразователей линейных перемещений могут быть рекомендованы фотоэлектрические преобразователи, выпускаемые ОАО "ЛОМО" в соответствии с изобретением "Датчик линейных перемещений" (авт. свид. N 508672, в БИ N 12, 1976 г.). Преобразователь имеет дискретность отсчета 0,5 мкм, диапазон измерения от 0 до 600 мм, погрешность измерения ±(0,5 + L/1000) мкм, где L - измеряемая длина в мм. С помощью преобразователей 28 и 29 измеряются величины перемещений верхней 3 и нижней 15 пинолей, при этом сигналы, пропорциональные этим величинам, поступают в счетное устройство 30 ЭВК 13, где они суммируются с сигналами, поступающими от индуктивных преобразователей 6 и 17. Измеряемая деталь 31 устанавливается в центрирующее устройство 32, расположенное на корпусе 2 прибора и представляющее собой призму, имеющую возможность перемещения в плоскости, перпендикулярной линии измерения, в зависимости от диаметра измеряемой детали.

Толщиномер работает следующим образом.

Перед началом работы необходимо произвести обнуление прибора. Для этого на основание 1 прибора устанавливается пластина, толщина которой известна с высокой степенью точности. Включается электропривод 24 нижней пиноли 15, который через зубчатые колеса 22 и 23 приводит во вращение ходовой винт 21. Вращаясь, ходовой винт 21 поднимает ходовую гайку 18, давая нижней пиноли 15 подниматься вверх под действием пружины 19. Шток 25 индуктивного преобразователя 17 в исходном положении под действием пружины выдвинут вверх на величину свободного хода (>1 мм). При касании штока 26 индуктивного преобразователя 17 пластины шток 26 смещается к своему нулевому (среднему) положению и при отклонении штока 26 от нулевого положения на 0,5 мм в ЭВК 13 вырабатывается команда на снижение скорости вращения ходового винта 21 и продолжается движение нижней пиноли 15 до достижения штоком 26 индуктивного преобразователя 17 нулевого положения с допуском ±10 мкм.

Таким же образом подводится к пластине верхняя пиноль 3. В этом положении отсчеты со всех 4-х преобразователей 6, 17, 28 и 29 обнуляются, а в память ЭВМ вводится толщина пластины (из ее аттестата), которая добавляется ко всем последующим результатам измерения. После этого пластина снимается и на основание 1 в центрирующее устройство 32 устанавливается измеряемая деталь 31 или сборка. Действуя таким же образом, как при обнулении прибора, к измеряемой детали 31 подводится сначала нижняя 15 а затем верхняя 3 пиноли. Сигналы, пропорциональные величинам перемещения верхней 3 и нижней 15 пинолей и измерительных штоков 25 и 26 индуктивных преобразователей 6, 17, поступают в ЭВК 13 и там суммируются. Измеренная величина является суммой 4-х величин:
Δl₁ - величина перемещения верхней пиноли 3;
Δl₂ - величина перемещения штока 25 верхнего индуктивного преобразователя 6;
Δl₃ - величина перемещения нижней пиноли 15;
Δl₄ - величина перемещения штока 26 нижнего индуктивного преобразователя 17.

Измеренная величина суммируется в ЭВК 13 с толщиной пластины, введенной в память ЭВМ в режиме обнуления прибора. Эта сумма равна толщине обнуляемой детали 31.

Таким образом, заявляемый толщиномер по сравнению с прототипом автоматически с высокой степенью точности, обусловленной применением четырех высокоточных преобразователей, осуществлять измерение толщин линз и промежутков между ними, практически исключив возможность повреждения поверхности линз в процессе измерения. Это стало возможным благодаря тому, что измерение установленной в центрирующем устройстве детали осуществляется двумя подвижными элементами, имеющими измерительное давление, не превышающее 0,2 Н.

Источники информации
1. Ф.М.Данилевич, В.А.Никитин, Е.П.Смирнова "Сборка и юстировка оптических контрольно-измерительных приборов". Справочное пособие. Ленинград, "Машиностроение", 1976, с. 133 - 134.

2. Авт. св. N 359499, кл. G 01 B 5/06, опубл. 21.11.72 (прототип).

Толщиномер содержит основание с корпусом и смонтированные в нем измерительную систему, отсчетное и центрирующее устройства. Измерительная система состоит из верхнего и нижнего измерительных элементов, имеющих возможность перемещения вдоль оси измерения. Верхний и нижний измерительные элементы содержат соответственно верхнюю и нижнюю пиноли. В пинолях установлены индуктивные преобразователи с измерительными штоками. Первая и вторая шкалы расположены соответственно на верхней и нижней пинолях. Перемещение каждой из пинолей осуществляется при помощи ходовых гаек, кинематически связанных с электроприводами. Верхняя пиноль опирается на ходовую гайку. Нижняя пиноль связана с ходовой гайкой упругим подвесом. Отсчетное устройство состоит из установленных в корпусе преобразователей линейных перемещений, сопряженных с первой и второй шкалами, и связанного с выходами индуктивных преобразователей и преобразователей линейных перемещений электронно-вычислительного комплекса, соединенного с электроприводами через блок управления. Обеспечивается повышение точности измерения при одновременном исключении возможности повреждения линз. 1 ил.

Толщиномер, содержащий основание с корпусом и смонтированные в нем измерительную систему, состоящую из верхнего, снабженного первой шкалой, и нижнего измерительных элементов, имеющих возможность перемещения вдоль оси измерения, отсчетное устройство и центрирующее устройство для установки детали, отличающийся тем, что верхний и нижний измерительные элементы содержат соответственно верхнюю и нижнюю пиноли, в которых установлены индуктивные преобразователи с измерительными штоками, первая шкала расположена на верхней пиноле, нижняя пиноль снабжена второй шкалой, перемещение каждой из пинолей осуществляется при помощи ходовых гаек, кинематически связанных с электроприводами, при этом верхняя пиноль опирается на ходовую гайку, нижняя пиноль связана с ходовой гайкой упругим подвесом, а отсчетное устройство состоит из установленных в корпусе преобразователей линейных перемещений, сопряженных с первой и второй шкалами, и связанного с выходами индуктивных преобразователей и преобразователей линейных перемещений электронно-вычислительного комплекса, соединенного с электроприводами через блок управления.