ОТРАЖАТЕЛЬНЫЙ УГЛОМЕРНЫЙ ИНСТРУМЕНТ Российский патент 2002 года по МПК G01C1/08 G01C1/00 

Изобретение относится к оптическим отражательным угломерным инструментам, основанным на законах отражения света от плоских зеркал и может быть использовано как навигационный инструмент, например, на судах морского флота для измерения высот небесных светил при определении места нахождения судна на море, а также для измерения углов между объектами, находящимися в любом направлении относительно горизонта. Ленточно-винтовой механизм в предложенном инструменте может быть использован для точных угловых измерений, например, в различных астрономических и геодезических приборах.

Известен наиболее распространенный отражательный угломерный инструмент - секстант, устройство которого практически не изменилось еще с начала его изобретения, теория и конструкция которого подробно описаны в книгах [1], [2], [3], [4].

Этот инструмент содержит зрительную трубу, ввинченную в держатель, который выполнен в виде резьбового кольца и снабжен винтовым подъемным механизмом, установленным на его основании, которое состоит из металлической рамы, выполненной в виде кругового сектора радиусом 150-200 мм.

На основании установлены в оправах два плоских зеркала, снабженных юстировочными винтами, обеспечивающими возможность изменения угла наклона каждого зеркала при проверке неперпендикулярности отражательной поверхности зеркала к плоскости лимба.

Одно из зеркал - малое, установлено неподвижно против объектива зрительной трубы на продолжении ее оптической оси, а другое зеркало - большое и подвижное, закреплено на алидаде, у которого отражательная поверхность проходит через центр вращения алидады, установленной с возможностью движения по дуге упомянутого лимба с нанесенной шкалой, закрепленной на основании секстанта.

Секстант содержит средство для обеспечения возможности по шкале лимба снятия отсчета при измерениях, которое состоит из верньера, размещенного на конце алидады, снабженного стопорным и микрометрическим /наводящими/ винтами, а также лупой для снятия отсчета.

Для обеспечения возможности регулирования изображения наблюдаемых предметов, а также при наблюдениях Солнца, он снабжен набором светофильтров в оправах /темных и цветных/, установленных шарнирно между подвижным и неподвижным зеркалами и после неподвижного зеркала с возможностью удаления их из оптического канала.

Однако этот секстант имеет недостатки.

К недостаткам секстанта следует отнести то, что каждый раз перед наблюдением неподвижное малое зеркало требует проверки неперпендикулярности ее отражательной поверхности относительно плоскости лимба /см.[2] - табл. 13, с. 174-175/. Из этой таблицы также видно, что такую же проверку требует, но реже, и подвижное большое зеркало.

Этот недостаток с увеличением наклона зеркала увеличивает ошибку в отсчете, зависит от величины измеряемого угла и увеличивается с уменьшением последнего /см.[2] - табл. 11, с. 172 и табл. 12, с. 173/.

Недостатки эти устраняет сам наблюдатель и выполняются наклоном каждой оправы с зеркалом с помощью юстировочного винта, которым снабжена каждая оправа.

К недостаткам секстанта следует также отнести и то, что оправы со светофильтрами и их шарнирное закрепление к основанию отличаются друг от друга по конструктивному исполнению. Как видно из рисунков /см.[1] - рис. 280, с. 798, [2] - рис. 77, с. 158, [3] - рис. 1, с. 194, [4] - рис. 87, с. 277/, у светофильтров, размещаемых между большим и малым зеркалами, оправы выполнены прямоугольной формы и шарнирно закреплены сверху основания, а у светофильтров, размещаемых впереди малого неподвижного зеркала, оправы выполнены круглой формы и шарнирно закреплены к боковой поверхности основания.

Такое различное конструктивное исполнение оправ со светофильтрами и их крепление к основанию усложняет конструкцию и не обеспечивает возможность унифицированного их применения.

Одним из недостатков секстанта следует отнести то, что снятие отсчета измеряемого угла возможно только с помощью специальной лупы, установленной на конце рычага, шарнирно закрепленной к алидаде.

Такое исполнение создает неудобство в работе при снятии отсчета и ограничивает возможность повышения точности измерений, без увеличения размеров секстанта.

К недостаткам еще можно отнести и то, что при наблюдениях секстант все время приходится поддерживать рукой с помощью ручки, жестко закрепленной снизу основания. Такое исполнение создает неудобство в работе, так как при наблюдениях и снятиях отсчетов при измерениях рука устает и возможность точного выполнения этих операций, при поддерживании секстанта рукой, требует от исполнителя большой тренировки.

Известен секстант [5], который содержит также два зеркала, одно из которых установлено неподвижно, а другое - подвижно, и алидаду с отсчетным устройством, в котором для повышения снятия точности отсчета при измерениях, без увеличения его размеров, подвижное зеркало связано с алидадой через систему двух пар шестерен с общим передаточным отношением, уменьшающим поворот подвижного зеркала по сравнению с алидадой в два раза.

Однако этот секстант имеет те же недостатки, что и описанный выше секстант, а с введением в систему отсчета промежуточной передачи, состоящей из двух пар шестерен, усложняется конструкция и вносятся дополнительные погрешности, так как в отсчетных зубчатых передачах имеет место два вида погрешностей: кинематическая погрешность или ошибка отсчета и мертвый ход /см. [6] - с. 506/. Эти погрешности, приведенные к зубчатому колесу, связанному с алидадой и зеркалом, будут складываться и вносить ошибку в отсчете.

Известен навигационный секстант [7], который содержит установленные в корпусе зрительную трубу с объективом и окуляром, алидаду, большое подвижное плоское зеркало, скрепленное с алидадой, малое неподвижное плоское зеркало, расположенное перед объективом зрительной трубы и узел удерживания корпуса.

В секстанте система отсчитывания отсчетного узла дополнена волоконным световодным оптическим трактом, выходной торец которого сопряжен со шкалой и указателем отсчетного узла посредством линзового компонента.

Для повышения удобства работы, за счет обеспечения одновременного наблюдения светила, линии горизонта и окружающего пространства, в него введены два дополнительных зеркала: одно зеркало установлено с возможностью поворота на 180^o и расположено между объективом и окуляром под углом 45^o к оптической оси объектива, а другое зеркало выполнено частично прозрачным и расположено между окуляром и плоскостью выходного зрачка зрительной трубы под углом 45^o к оптической оси окуляра, расположенной в свою очередь под углом 90^o к оптической оси объектива.

В этом секстанте средство удерживания корпуса, а следовательно и всего секстанта выполнено с возможностью его закрепления на голове наблюдателя и корпус выполнен с возможностью поворота и фиксации по отношению к оси выходного зрачка зрительной трубы.

К недостаткам этого секстанта можно отнести то, что он содержит два дополнительных плоских зеркала, одно из которых еще должно быть установлено с возможностью поворота на 180^o вокруг оси окуляра и при этом оптическая ось зрительной трубы должна быть расположена не так как в обычных секстантах, а повернута на 90^o.

Такое расположение оптических элементов усложняет конструкцию оптической системы и делает невозможным применение в секстанте уже проверенных, хорошо показавших себя, серийно изготавливаемых зрительных труб, используемых для наблюдений и измерений как в секстантах, так и в геодезических и в астрономических приборах. Выполнение же узла удерживания секстанта по форме головы, следовательно, алидады и лимба изогнутой формы, значительно усложняет конструкцию их и затрудняет возможность точного изготовления, например, шкалы на лимбе.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному решению является отражательный угломерный инструмент - секстант, теория и конструкция которого описана в упомянутых источниках /см. [1] - рис. 280, с. 798-802, [2] - рис. 77, с. 154-189, [3] - рис. 1, с. 193-197 и [4] - рис. 87, с. 276-283/.

В каждом из этих источников описывается теория и конструкция одного и того же инструмента и эти описания дополняют друг друга. Так как по своим отличительным признакам этот инструмент ближе всего подходит к предложенному, то заявитель взял его в качестве прототипа.

Целью настоящего изобретения является повышение точности снятия отсчета при измерениях и удобство в работе.

В основу настоящего изобретения заявителем была поставлена задача: придумать отражательный угломерный инструмент такой конструкции, в которой, в отличие от известных конструкций, за счет применения по новому назначению передачи и измерительного средства с прямолинейной шкалой, а также коррекционного механизма, юстировочных и выбирающих люфты устройств, обеспечивалась бы более высокая точность при измерениях углов и удобство в работе.

Эта задача /требуемый технический результат/ достигается за счет того, что в предложенном отражательном угломерном инструменте, содержащем установленные на его основании: подвижное большое зеркало в оправе с устройством для поворота ее, связанного со средством для снятия отсчета измеряемого угла, которое состоит из шкалы с градусными делениями и нониуса, установленного с возможностью перемещения по этой шкале, зрительную трубу в держателе, снабженную подъемным механизмом, неподвижное малое зеркало в оправе, помещенное против объектива зрительной трубы на продолжении ее оси, набор светофильтров в оправах, установленных шарнирно на оси между подвижными неподвижным зеркалами и после неподвижного зеркала с возможностью удаления каждого из них из оптического канала путем поворота каждой оправы вокруг шарнира на 180^o, средство для удерживания инструмента при измерениях, согласно изобретению устройство для поворота оправы с большим зеркалом состоит из ленточной передачи, выполненной в виде кругового сектора, который, с возможностью юстировочных подвижек в радиальном направлении при его установке, жестко соединен с валом, установленным на основании инструмента в корпусе с подшипниками с возможностью устранения, как радиального, так и осевого люфтов. К образующей поверхности кругового сектора жестко закреплены своими концами две упругие тонкие металлические ленты одинаковой длины, которые другими концами соединены с ползуном. Первая лента с концом ползуна соединена через подпружиненное натяжное устройство, а вторая лента с другой стороны ползуна соединена напрямую. Этот ползун жестко закреплен к подвижному корпусу, внутри которого в двух шарикоподшипниках, с возможностью вращения и устранения осевого люфта, установлен микрометрический винт винтовой передачи, к концу которого с помощью соединения ступицы с концом вала жестко закреплен рычаг, прижимаемый пружиной к коррекционной линейке, установленной на обратной стороне основания инструмента с возможностью выполнения юстировочных подвижек при ее закреплении.

Гайка микрометрического винта винтовой передачи, состоящая из двух подпружиненных друг относительно друга частей, установлена в неподвижном корпусе, жестко закрепленном к основанию инструмента, и каждая часть гайки снабжена шарикоподшипником, установленным с возможностью устранения осевого люфта, при этом первая часть гайки с помощью конической зубчатой передачи соединена с электромеханическим приводом, который снабжен муфтой, обеспечивающей возможность отключения муфты при ручном вращении гайки.

Средство для снятия отсчета измеряемого угла состоит из прямолинейной штанги, жестко закрепленной своим концом сверху основания инструмента на стойке, и на ней нанесены риски для грубого отсчета, соответствующие 1^o; штанга снабжена нониусом с ценой деления 0,1^o, выполненным в виде рамки, которая жестко закреплена сверху упомянутого подвижного корпуса с микрометрическим винтом.

Кроме этого, средство для снятия отсчета снабжено еще устройством для снятия точного отсчета, которое состоит из отсчетного барабана, жестко соединенного со второй частью гайки микрометрического винта, с возможностью точной его установки относительно делений на прямолинейной штанге, на цилиндре которого нанесена шкала точного отсчета, снабженная нониусом, закрепленным сверху на неподвижном корпусе, где размещена гайка микрометрического винта.

При этом диаметр кругового сектора, шаг резьбы микрометрического винта и толщина каждой ленты связаны между собой зависимостью:

где D - диаметр кругового сектора, мм, t - шаг резьбы микрометрического винта, мм, h - толщина каждой ленты, мм.

Держатель зрительной трубы соединен с подъемным механизмом шарнирно на оси, проходящей параллельно основанию инструмента и перпендикулярно оптической оси, и за счет двух юстировочных винтов со сферическими головками, ввинченных сверху к торцу подъемного механизма и контактирующихся этими головками с нижней поверхностью держателя, обеспечивается возможность точной установки зрительной трубы относительно подвижного зеркала и жесткой фиксации ее после установки.

На каждой оправе, как подвижного большого зеркала, так и неподвижного малого зеркала, базой для крепления зеркала ее отражательной поверхностью служит плоскость, которая предусмотрена на каждой оправе, проходящая точно через ось оправы и на оправе большого подвижного зеркала на этой плоскости, для размещения зеркала, выполнено углубление, сверху и снизу этого углубления жестко закреплены две планки и большое подвижное зеркало, вставленное в это углубление, прижато своей отражательной поверхностью к этим планкам, а для оправы малого неподвижного зеркала предусмотрена дополнительная оправа, которая со вставленным в нее зеркалом жестко закреплена к базовой плоскости основной оправы и неподвижное зеркало через эту дополнительную оправу своей отражательной поверхностью прижато к этой плоскости,
Кроме этого, оправа неподвижного малого зеркала установлена еще на стойке, жестко закрепленной к основанию инструмента, и как держатель зрительной трубы, установлена шарнирно на оси, проходящей параллельно основанию инструмента и перпендикулярно оптической оси, и за счет юстировочных винтов со сферическими головками, ввинченными сверху к торцу стойки и контактирующими этими головками с нижней поверхностью оправы, обеспечивается возможность точной установки неподвижного зеркала относительно подвижного зеркала и жесткой фиксации положения неподвижного зеркала после ее установки.

Каждая оправа со вставленным в нее светофильтром выполнена из двух, соединенных друг с другом одинаковых в зеркальном отражении половинок, и в положении, когда оправа со светофильтром поворотом вокруг оси на 180^o удалена из оптического канала, она похожа на букву Г.

Средство для удерживания инструмента выполнено съемным и состоит из вилки, в которой в промежутке между ее стенками жестко закреплен цилиндрический стакан с фланцем у дна, закрытый с помощью резьбового соединения таким же фланцем и на этот стакан, с возможностью вращения, насажен корпус с прикрепленной к нему ручкой, внутри которого установлен подпружиненный плунжер с заостренным концом, взаимодействующий этим концом с прорезью разрезной втулки, установленной с возможностью вращения внутри стакана, на котором для плунжера выполнен продольный паз, причем плунжер другим концом своим связан с рычагом, установленным шарнирно в углублении, выполненном на ручке, для чего на плунжере выполнен паз и запрессован штифт, а конец рычага выполнен под углом и с прорезью под штифт. К стенкам корпуса с ручкой, расположенным перпендикулярно вилке, жестко закреплена своими стенками другая вилка, на конце которой сверху шарнирно на двух полуосях установлен хомут с зажимным винтом, отверстие которого выполнено по размеру наружного диаметра корпуса, где размещен вал кругового сектора на основании инструмента.

Одна боковая и торцевая поверхности каждой стенки вилки на этом конце выполнены друг относительно друга точно под углом 90^o и соединены друг с другом перемычками, на каждой из которых выполнен паз, а снизу основания инструмента, с возможностью свободной установки в свой паз, шарнирно на осях закреплены два откидных болта.

К основанию первой вилки, к которой закреплен корпус с ручкой, снизу жестко закреплена опорная штанга с пятой, установленной на сферическом шарнире снизу штанги.

При таком конструктивном исполнении отражательного угломерного инструмента, за счет применения для угловых перемещений ленточной передачи типа II /см. [8] - табл. 1, с. 865/ с кинематическим замыканием, соединенной с помощью ползуна с гайкой микрометрического винта винтовой передачи, повышается точность механизма, так как кинематические ошибки от погрешностей диаметра кругового сектора и его эксцентриситета будут наименьшими, по сравнению с другими типами ленточных передач /см. [8] - табл. 8, с. 874/.

Точность механизма повышается еще и тем, что в винтовой передаче для устранения ошибок по шагу винта применен коррекционный механизм, а в ленточной передаче, для устранения эксцентриситета, круговой сектор снабжен необходимыми юстировочными в радиальном направлении подвижками.

За счет применения в устройстве для снятия точного отсчета отсчетного барабана с угловыми делениями и нониусом, соединенного с гайкой микрометрического винта, увеличивается масштаб шкалы точного отсчета и обеспечивается возможность без применения лупы снятие более точных отсчетов при измерениях.

Упрощается изготовление в средстве для снятия отсчета шкалы, так как дугообразная шкала заменена прямолинейной, в качестве которой может быть использован даже обычный штангенциркуль.

Удобство работы на отражательном угломерном инструменте обеспечивается за счет того, что средство для удерживания инструмента снабжено ручкой с рычагом и опорной штангой с пятой: с помощью ручки с рычагом, при нажиме на рычаг можно освобождать от зажима и быстро устанавливать зрительную трубу в нужном направлении и фиксировать это положение при отпускании рычага, а опорная штанга с пятой, в процессе проведения измерений, позволяет свободно без усилий удерживать инструмент в руках.

Обеспечивается удобство работы на инструменте еще и тем, что наведение зрительной трубы на объект при измерениях можно производить с помощью электромеханического привода, а также и ручного привода.

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут выявлены ниже при рассмотрении конкретного выполнения отражательного угломерного инструмента и прилагаемых чертежей.

Конструкция отражательного угломерного инструмента поясняется чертежами.

На фиг. 1 показан общий вид отражательного угломерного инструмента - вид спереди в сборе со средством для его удерживания. Инструмент показан на средстве для его удерживания в вертикальном положении то есть в положении, когда можно измерять высоты небесных светил.

На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 в увеличенном виде,
на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2 в увеличенном виде,
на фиг. 4 - вид В на фиг. 2,
на фиг. 5 - разрез Г-Г на фиг. 4 в увеличенном виде,
на фиг. 6 - разрез Д-Д на фиг. 4 в увеличенном виде,
на фиг. 7 - разрез Е-Е на фиг. 1 в увеличенном виде,
на фиг. 8 - разрез Ж-Ж на фиг. 1 в увеличенном виде,
на фиг. 9 - разрез З-З на фиг. 1 в увеличенном виде,
на фиг. 10 - разрез И-И на фиг. 9 в увеличенном виде,
на фиг. 11 - разрез К-К на фиг. 9,
на фиг. 12 - вид Л на фиг. 1 в увеличенном виде,
на фиг. 13 показан вертикальный разрез средства для удерживания инструмента,
на фиг. 14 - разрез М-М на фиг. 13.

Отражательный угломерный инструмент 1 /фиг.1/ соединяется со средством 2 для его удерживания с помощью быстроразъемного соединения и состоит из основания 3, на котором установлены: подвижное большое зеркало 4 в оправе 5 /фиг. 1/, зрительная труба 6, ввинченная в держатель 7, неподвижное малое зеркало 8 в оправе 9, помещенное против объектива зрительной трубы 6 на продолжении ее оси, наборы светофильтров 10, 11, устанавливаемых шарнирно на оси между подвижным и неподвижным зеркалами и после неподвижного зеркала, с возможностью удаления каждого из них в отдельности из оптического канала.

Оправа 5 подвижного большого зеркала 4 снабжена устройством для его поворота, которое состоит из ленточной передачи, выполненной в виде кругового сектора 12 /фиг. 1 и фиг.2/, жестко закрепленного к детали 13, выполненной в форме фланца с цилиндрическими выступами на верхней части, которая в свою очередь с помощью торцевой шпонки 14 - соединения ступицы с концом вала [9], предложенного раньше автором - заявителем, жестко закреплена к торцу вала 15.

Для возможности устранения эксцентриситета, круговой сектор 12 закреплен к детали 13 с возможностью выполнения при сборке юстировочных подвижек, обеспечиваемых в радиальном направлении тремя винтами 16.

К образующей поверхности круга кругового сектора 12 жестко закреплены своими концами две тонкие упругие металлические ленты 17 и 18 одинаковой длины, каждая из которых другим своим концом соединена с ползуном 19.

При этом лента 17 с ползуном соединена напрямую, а лента 18 соединена с ним через натяжное устройство, состоящее из рычага 20, шарнирно закрепленного к кронштейну 21, жестко закрепленного в свою очередь к ползуну 19. К рычагу 20 шарнирно закреплена тяга 22, а к ней жестко закреплена лента 18. С помощью пружины сжатия 23, установленной на откидном болте 24, обеспечивается постоянное натяжение лент 17 и 18 и точная кинематическая связь кругового сектора 12 с ползуном 19.

При таком исполнении, за счет постоянно действующего натяжения лент, не будут влиять температурные изменения на точность передачи, поэтому при реверсе - изменения направления поворота кругового сектора 12, возвратно-поступательное перемещение ползуна 19 будет происходить без проскальзывания.

Вал 15 /фиг. 2/ установлен с возможностью устранения, как осевого, так и радиального люфтов внутри корпуса 25, жестко закрепленного своим фланцем к основанию 3, в радиально-упорных шарикоподшипниках 26, 27, люфты которых устранены с помощью поджатия наружных обойм шарикоподшипников гайкой с прорезью 28 с наружной резьбой, завинчиваемой в корпус 25 и зафиксированной винтом 29 после устранения люфтов.

Оправа 5 подвижного большого зеркала 4, с предусмотренным на нижней ее части фланца цилиндрического углубления под выступ детали 13, жестко крепится к этой детали.

Оправа 5 снабжена базовой плоскостью, проходящей точно по оси ее, и на этой плоскости для размещения зеркала 4 выполнено углубление, на котором сверху и снизу жестко закреплены две планки 30, 31. Зеркало 4, вставленное в это углубление вместе с пластиной 32 и упругой прокладкой из резины 33, плотно прижато отражательной поверхностью к этим планкам стопорными винтами 34.

При точном выполнении базовой плоскости на оправе 5, с возможностью, например, в пределах заданных допусков, рассчитанных заранее, отпадает необходимость наклона оправы с зеркалом 4 в процессе юстировки, а поэтому оправа 5 требует только поворота вокруг оси, который обеспечивается при сборке и фиксируется болтами 35 при закреплении оправы 5 к детали 13.

При таком исполнении, в отличие от известных отражательных угломерных инструментов, где базой для проверки правильности точной установки оптических элементов является дугообразный лимб, в предложенном инструменте отражательная поверхность зеркала 4 будет являться основной базой для точного выставления, как зрительной трубы 6, так и неподвижного малого зеркала 8 /фиг. 8/ на основании 3 инструмента.

Ползун 19 жестко закреплен к подвижному корпусу 36 /фиг.1 и фиг.2/, внутри которого в радиально-упорных шариподшипниках 37 и 38, с возможностью устранения, как радиального, так и осевого люфтов, с помощью гайки с прорезью 39 с наружной резьбой, завинчиваемой в корпус 36 и зафиксированной винтом 40, установлен микрометрический винт 41 винтовой передачи.

На конце винта 41 /фиг.7/, с помощью упомянутого соединения ступицы с концом вала жестко закреплен рычаг 42, прижимаемый пружиной 43 /фиг.4 и фиг. 5/ к коррекционной линейке 44, которая с возможностью юстировочных подвижек с двух его концов, обеспечиваемых на каждом конце винтами 45 и 46, жестко закреплена на обратной стороне основания 3 к двум стойкам 47 болтами 48, 49. На коррекционной линейке 44 для этих болтов выполнены пазы, а для юстировочного перемещения коррекционной линейки винтами 45, 46, на ней на каждом конце жестко закреплен упор 50.

Гайка микрометрического винта 41 /фиг.3/ винтовой передачи состоит из двух частей 51, 52 и эти части подпружинены пружиной, установленной между ними.

Части гайки в сборе с микрометрическим вином 41 установлены в радиально-упорных шарикоподшипниках 54, 55 внутри корпуса 56, жестко закрепленного к основанию 3 инструмента. Для возможности полного устранения, как осевого, так и радиального люфтов в винтовой передаче, положение наружных обойм шарикоподшипников 54, 55 регулируется завинчиванием гайки с прорезью 57 с наружной резьбой в корпус 56.

К первой части 51 гайки /фиг.3/ жестко закреплено коническое зубчатое колесо 59, сцепленное с другим коническим зубчатым колесом 60, жестко соединенным с концом выходного вала электромеханического привода 61 /фиг.2/, который снабжен муфтой 10, предложенной автором-заявителем раньше и, которая отличается от других известных муфт тем, что с помощью ее обеспечивается возможность ручного вращения вала привода при отключении электромеханического привода.

При таком исполнении винтовой передачи, за счет применения коррекционного механизма, обеспечивается возможность устранения накопленных /прогрессивных/ ошибок шага микрометрического винта 41, появляющихся на длине хода винта.

За счет применения на инструменте, для поворота оправы 5 с зеркалом 4, электромеханического и ручного привода обеспечивается удобство работы при измерениях.

Средство для снятия отсчета /фиг.1, фиг.2/ состоит из штангенциркуля 62, штанга 63 /фиг.7/ которого жестко закреплена со стороны губки к стойке 64, которая в свою очередь жестко закреплена к основанию 3 инструмента. Нониус 65 /фиг. 1/ штангенциркуля имеет цену деления 0,1 мм и подвижная рамка 66 нониуса жестко закреплена сверху подвижного корпуса 36 с микрометрическим винтом 41.

Штангенциркуль 62 предназначен для снятия грубого отсчета. Для возможности снятия точного отсчета измеряемого угла, служит отсчетный барабан 67 /фиг.1, фиг.2 и фиг.3/, жестко закрепленный ко второй части 52 гайки микрометрического винта 41, с возможностью точной установки его с помощью конусной разрезной втулки 68 и гайки 69 относительно отсчетных делений штангенциркуля 62.

На цилиндрической поверхности барабана 67 нанесена шкала точного отсчета со штрихами через 1', каждый из которых в свою очередь разделен еще штрихами на три равных промежутка, то есть каждый промежуток между этими штрихами соответствует 20". Барабан 67 со шкалой может быть снабжен нониусом 70, закрепляемым с возможностью точной установки его относительно шкалы барабана сверху корпуса 56.

В зависимости от выбранной точности отсчета цена делений нониуса 70 может быть разная. Например, для проведения отсчетов с точностью ±10'', вместо нониуса может быть установлен обычный индекс, а для более точных отсчетов расстояние между штрихами на нониусе и количество их может быть выбрано согласно теории, изложенной в источниках /[2] - c. 163-168 и [4] - с. 71-74 /.

Можно вывести формулу для определения диаметра, или радиуса кругового сектора.

Для определения зависимости между диаметром кругового сектора 12, шагом резьбы микрометрического винта 41 и толщиной каждой из лент 17 и 18, вначале нужно найти функции положения элементарных механизмов /ФПМ/, из чего состоит предложенный в инструменте механизм для угловых перемещений.

Для ленточной передачи выбранного типа ФПМ выражается зависимостью /[8] - с. 865, табл. 1/:

где D - диаметр кругового сектора, мм,
h - толщина каждой ленты, мм,
ϕ^° - угол поворота кругового сектора,
l - перемещение ленты, а следовательно и ползуна, мм.

Для винтовой передачи ФПМ выражается следующей зависимостью /[11] - с. 220, приложение 1:

где K - число заходов винтовой нарезки микрометрического винта,
t - шаг микрометрического винта, мм,
ϕ^°′ - угол поворота гайки микрометрического винта,
l′ - перемещение микрометрического винта вдоль оси при одном повороте гайки, мм.

Так как в отражательном угломерном инструменте направление луча, отраженного от двух плоских зеркал, получится из направления падающего луча, повернутого вокруг линии пересечения обоих зеркал на угол, равный двойному углу между ними, то для определения зависимости между диаметром кругового сектора и другими величинами, входящими в ФПМ, необходимо задаться исходными данными.

Для удобства проведения на инструменте отсчетов, исходные данные выбираем исходя из следующих рассуждений: когда барабан 67 повернется на угол ϕ^°′= 360^o, то согласно вышеизложенному пояснению поворот отраженного луча от большого подвижного зеркала 4 принимаем равным 1^o, а круговой сектор 12 при этом должен повернуться на угол ϕ^°=0,5^o.

Так как при одном повороте гайки перемещение микрометрического винта 41 равно перемещению ползуна 19 вместе с лентами 17 и 18, то, приравнивая правые части ФПМ, так как l'=l, получим:

Из полученного равенства находим D, при числе заходов винта K=1

подставляя численные значения, получим:

или, выражая через радиус,

Для обеспечения возможности применения в предложенном отражательном угломерном инструменте в качестве средства для снятия грубого отсчета обычного широко распространенного штангенциркуля, шаг микрометрического винта 41 следует принять равным t=1 мм, а толщину каждой ленты взять, например, из ряда толщин /[8] - с. 867/, то есть принять равной h=0,18 Тогда диаметр кругового сектора 12 определится:

а радиус

Если принять шаг микрометрического винта равным t=0,5 мм, то габаритные размеры инструмента могут быть значительно уменьшены и вместо кругового сектора 12 может быть применен круглый диск диаметром D=114,5 мм. Однако в этом случае обычный штангенциркуль уже будет непригоден для этой цели и для возможности снятия грубого отсчета должны быть спроектированы и изготовлены заново, и нониус, и прямолинейная штанга со штрихами.

Держатель 7 зрительной трубы 6 снабжен винтовым подъемным механизмом 71 /фиг.9/, соединен с ним шарнирно на оси 72, проходящей параллельно основанию и перпендикулярно оптической оси, и снабжен двумя юстировочными винтами 73 со сферическими головками, завинченными на верхней части подъемника и контактирующими этими головками с нижней поверхностью держателя 7. С помощью этих винтов обеспечивается путем наклона зрительной трубы в ту или другую сторону возможность точной установки оптической оси зрительной трубы 5 относительно отражательных поверхностей зеркал 4 и 8 и жесткая фиксация этого положения. Возможность подъема и опускания держателя 7 со зрительной трубой 6 обеспечивается вращением головки 74 винта 75, ввинченного в подвижную колонку 76, снабженной шпонкой 77 и установленной по точной ходовой посадке в направляющем корпусе 78, жестко закрепленном к основанию 2.

На держателе 7 выполнены два паза 79 /фиг.10/ и он установлен с возможностью поворота вокруг своей оси с последующей жесткой фиксацией положения его болтами 80, например, при замене зрительной трубы 6 на другую.

Для оправы 9 неподвижного малого зеркала 8 /фиг.1/ и /фиг.8/ предусмотрена дополнительная оправа 81, которая жестко закреплена к плоскости оправы 9, проходящей точно через ее ось. Зеркало 8, вставленное вместе с пластиной 82 и упругой прокладкой 83 в дополнительную оправу 81, своей отражательной поверхностью стопорными винтами 84 плотно прижато к этой плоскости.

Для обеспечения возможности точной установки зеркала 8 относительно подвижного зеркала 4, оправа 9, как и держатель 7 зрительной трубы 6, установлена шарнирно на оси 85, проходящей параллельно основанию 3 и перпендикулярно оптической оси, снабжена такими же юстировочными двумя винтами 86 и 87, которые обеспечивают возможность точной установки зеркала 8 относительно зеркала 4 и жесткую фиксацию ее положения.

При таком исполнении отпадает необходимость каждый раз на инструменте перед наблюдениями проверять неперпендикулярность отражательной поверхности малого зеркала 8 относительно лимба, а при таком исполнении относительно основания 3, и непараллельность оси оправы 9 относительно оси оправы 5.

Каждая оправа 88 /фиг.1 и фиг.12/, со вставленным в нее светофильтром 10, или 11, выполнена из двух одинаковых в зеркальном отражении половинок, соединенных друг с другом винтами 89, и в положении, когда основание 3 инструмента установлено горизонтально и оправа поворотом на 180^o - вокруг шарнирной оси, удалена из оптического канала, она имеет форму буквы Г.

При выполнении всех оправ светофильтров одинаковой формы и конструкции упрощается процесс их изготовления и обеспечивается возможность их унифицированного применения.

Средство 2 для удерживания инструмента /фиг.13 и фиг.14/ состоит из вилки 90, в которой в промежутке между ее стенками жестко закреплен к одной стенке болтами 91, 92 цилиндрический стакан 93 с фланцем 94 у дна, закрытый с помощью резьбового соединения таким же фланцем 95, который в свою очередь жестко закреплен к другой стенке вилки 90 болтами 96, 97. На цилиндр стакана 93, с возможностью вращения, насажен корпус 98 и к нему прикреплена ручка 99.

Внутри корпуса 98 установлен подпружиненный пружиной 100 плунжер 101 с заостренным концом, взаимодействующий этим концом с прорезью разрезной втулки 102, установленной с возможностью вращения внутри стакана 93, на цилиндре которого, для обеспечения возможности поворота втулки 102, под плунжер 101 выполнен паз 103.

На ручке 99 выполнено углубление и в него шарнирно на оси 104 установлен двуплечий рычаг 105, короткое плечо которого, выполненое под углом к длинному плечу, кинематически связано с плунжером 101, на котором для рычага выполнен паз и запрессован штифт 106, а конец рычага выполнен в форме вилки.

К стенкам корпуса 98, расположенным перпендикулярно к стенкам вилки 90, жестко закреплена винтами 107, 108 своими стенками 109 и 110 другая вилка, на конце этих стенок которых шарнирно на двух полуосях 111 и 112 установлен хомут 113 с зажимным винтом 114. Отверстие хомута 113 выполнено по размеру наружного диаметра упомянутого корпуса 25 /фиг.2/, жестко закрепленного к основанию 3 инструмента.

Одна боковая и торцевая стенки 109 и 110, где установлен хомут 113, выполнены друг относительно друга точно под углом 90^o /фиг.14/ и соединены перемычками 115 и 116, на каждой из которой по центру выполнен паз 117, обеспечивающий возможность быстроразъемного соединения средства для удерживания к основанию 3 инструмента, как в вертикальном его положении /фиг.1/, для определения высот небесных светил, так и в горизонтальном его положении /на чертеже не показано/, для измерения углов между объектами, находящимися в любом направлении относительно горизонта. Для этой цели снизу основания 3 инструмента /фиг. 4 и фиг.6/ под каждый паз 117 шарнирно на оси 118, жестко закрепленный к основанию 3 винтами 119, 120, установлен откидной болт 121 с гайкой 122.

Для удобства поддерживания инструмента, к основанию вилки 90 /фиг. 13/снизу жестко закреплена опорная штанга 123 с пятой 124, установленной снизу штанги на сферическом шарнире 125.

При таком конструктивном выполнении средства для удерживания инструмента обеспечивается удобство работы при измерениях, так как зрительную трубу 6 всегда можно более точно установить н нужном направлении, не затрачивая при этом больших усилий для удерживания инструмента.

Основными материалами для изготовления деталей инструмента могут служить алюминиевые сплавы В95, Д16 и т. д., а для ответственных деталей, влияющих на точность получения отсчетов при измерениях, должны быть использованы материалы, которые нашли применение при производстве оптико-механических и геодезических приборов.

Габаритные размеры кругового сектора 12, длины ползуна 19 и лент 17, 18 /фиг. 1/, а также длину микрометрического винта 41 /фиг.3 и фиг.7/ подбирают таким образом, чтобы обеспечить на инструменте измерение углов, доступных на подобных инструментах /[2] - с. 157/. Этот угол должен быть не более 150^o, а поэтому круговой сектор 12 вместе с зеркалом 4 должен повернуться не более чем на угол 75^o, который и будет определять, с учетом закрепления лент 17 и 18 на образующей поверхности кругового сектора 12, размеры последнего.

При таком исполнении инструмента возможность сборки, юстировки зрительной трубы 6 и неподвижного зеркала 8, жесткая фиксация их на основании 3 и контроль правильности положения этих элементов, производится относительно одного элемента - отражательной поверхности подвижного большого зеркала 4, которая не требует юстировочных подвижек, так как установлена в оправе 5 с заданной точностью. Такое исполнение обеспечивает возможность более точной сборки, надежность и долговечность работы этих элементов, без нарушения юстировочных подвижек.

Работа на инструменте происходит следующим образом.

Подготовленный к работе инструмент, как показано на фиг. 1, например, для измерения угла между линией видимого горизонта и какой-либо звездой, при определении высоты ее, производят следующим образом.

Инструмент опорным подпятником 124 /фиг.1/ устанавливают на то место, где будут производиться измерения.

На инструменте нониус 65 штангенциркуля 62 и лимб 67 устанавливают на нулевое положение так, как указано на фиг. 1.

Инструмент одной рукой берут за ручку 99 и одновременно, нажимая на рычаг 105, освобождают инструмент от фиксированного зажима в шарнирном соединении средства для удерживания его. Затем поворачивают инструмент кверху, направляя зрительную трубу 6 на выбранную звезду. При этом в поле зрения трубы наблюдатель, глядя поверх малого зеркала 8 / высота малого зеркала 8 выполняется в оправе 9 приблизительно равной высоте до оси зрительной трубы 6/, увидит как прямовидимая, так и отраженное изображение звезды.

После этого инструмент медленно поварачивают вручную книзу, одновременно поварачивают и зеркало 4 с помощью включения электромеханического привода 61.

Поворачивают инструмент вместе со зрительной трубой 6 книзу таким образом, чтобы не терять из поля зрения трубы 6 отраженное изображение звезды. Для этой цели частоту вращения выходного вала электромеханического привода 61 подбирают таким, чтобы обеспечить при ручном повороте инструмента книзу удобное слежение за отраженным изображением звезды в поле зрения зрительной трубы 6.

Поворачивание инструмента вместе со зрительной трубой 6 книзу производят до тех пор, пока в поле зрения зрительной трубы 6 не появится прямовиоимо линия горизонта.

После этого быстрым поворотом рукоятки 126 /фиг.2/ в противоположную сторону, переводят электромеханический привод 61 на ручное управление и вращением этой рукоятки и покачиванием инструмента вместе со средством для удерживания вокруг сферического шарнира 125 /фиг.1/ и /фиг.2/, расположенного внизу над пятой 124, приводят звезду в соприкосновение с линией горизонта.

После этого отпускают рычаг 105 на ручке 99 и подпружиненным плунжером 101, который под действием пружины 100 распирает втулку 102, жестко фиксируют это положение.

Снимают отсчет вначале по штангенциркулю 62, затем точное значение его по лимбу 67 и нониусу 70 /фиг.2/.

Полученное значение дает величину угла между звездой и горизонтом, то есть высоту звезды.

Операции по определению высот небесных светил над горизонтом /Солнце, Луна и т. д./, а также определение погрешности индекса на предложенном инструменте выполняются так же, как и на обычном секстанте.

Они описаны, например, в курсе мореходной астрономии /[2] - c.169-170/.

Для измерения на инструменте углов между объектами, находящимися в любом направлении относительно горизонта, инструмент вначале устанавливают на средстве 2 /фиг.1/ в горизонтальное положение.

Для этой цели на обратной стороне основания 3 инструмента /фиг.4/ освобождают гайку 127 и откидной болт этой гайки освобождают от зажима.

Основание 3 вместе с хомутом 113 поворотом на угол 90^o переводят в горизонтальное положение и фиксируют это положение с помощью откидного болта 121 /фиг. 6/, который заводится в паз 117 перемычки 115 /фиг. 13/ и основание 3 инструмента с помощью гайки 122 жестко закрепляют в горизонтальном положении. Измерение углов между земными предметами производят следующим образом.

Инструмент располагают в плоскости измеряемого угла и зрительную трубу 6 /при необходимости она может быть заменена на земную трубу/ наводят на левый предмет.

Включают электромеханический привод 61 и, поворачивая зеркало 4, приводят в поле зрения зрительной трубы 6 правый предмет после его двойного отражения.

Так как отраженное изображение правого предмета можно увидеть лишь только тогда, когда оно находится в плоскости измеряемого угла, то инструмент необходимо все время немного покачивать, не теряя при этом прямовидимого изображения.

Поймав правый предмет в поле зрения зрительной трубы, ручным вращением привода 61 приводят в точное совмещение оба предмета, или те их точки, между которыми измеряется угол, затем снимают отсчет. Сделанный отсчет исправляют погрешностью индекса.

Источники информации
1. И.И.Литров. Тайны неба. С-Петербург, 1902, с. 798-802.

2. Б.П.Хлюстин. Мореходная астрономия. М-Л., 1939, с. 154-189.

3. Справочник по военной оптике / Под ред. С.И.Вавилова и М.В.Савостьяновой. М-Л., 1945.

4. С.Н.Блажко. Курс практической астрономии. М., 1979, с. 276-283, рис. 87 / прототип/.

5. А.с. СССР 672481, G 01 С 1/08, 1979.

6. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Л., 1980, с. 505-506.

7. А.с. СССР 1791706, G 01 C 1/ 08, 1993.

8. Справочник конструктора точного приборостроения. М-Л. , 1964, с. 864-879.

9. А.с. СССР 726381, F 16 D 23/ 00, 1980.

10. А.с. СССР 578502, F 16 В 3/ 00, 1978.

11. И.А.Грейм. Основы расчета механизмов приборов на точность. Л., 1964, с. 219-224.

Изобретение относится к оптическим отражательным угломерным инструментам и предназначено для использования в качестве навигационного инструмента, например, на судах морского флота для измерения высот небесных светил при определении места нахождения судна на море, а также для измерения углов между объектами, находящимися в любом направлении относительно горизонта. Инструмент состоит из основания 3, на котором установлены: зрительная труба 6, снабженная подъемным механизмом, подвижное большое зеркало 4 в оправе, неподвижное малое зеркало 8 в оправе, наборы светофильтров 10 в оправах, установленных шарнирно между подвижным и неподвижным зеркалами и после неподвижного зеркала, средство для снятия отсчета измеряемого угла и средство для удержания инструмента. Поворот большого подвижного зеркала 4 обеспечивается с помощью ленточно-винтовой передачи 17, 18, выполненной в виде кругового сектора 12, который жестко соединен с валом, установленным на основании инструмента в корпусе с подшипниками. Технический результат: повышение точности измерений. 14 ил.

Отражательный угломерный инструмент, содержащий установленные на основании подвижное большое зеркало в оправе с устройством для поворота ее, связанного со средством для снятия отсчета измеряемого угла, которое состоит из шкалы с градусными делениями и нониуса, установленного с возможностью перемещения по этой шкале в процессе поворота зеркала, зрительную трубу в держателе, снабженную подъемным механизмом, неподвижное малое зеркало в оправе, помещенное против объектива зрительной трубы на продолжении ее оси, набор светофильтров в оправах, установленных шарнирно на оси между подвижным и неподвижным зеркалами и после неподвижного зеркала с возможностью удаления каждого из них из оптического канала путем поворота каждой оправы вокруг оси на 180^o, средство для удерживания инструмента при измерениях, отличающийся тем, что устройство для поворота оправы с большим зеркалом состоит из ленточной передачи, выполненной в виде кругового сектора, который с возможностью юстировочных подвижек в радиальном направлении при его установке жестко соединен с валом, установленным на основании инструмента в корпусе с подшипниками с возможностью устранения как радиального, так и осевого люфтов, при этом к образующей поверхности кругового сектора жестко закреплены своими концами две упругие тонкие металлические ленты одинаковой длины, а другими концами соединены с ползуном, при этом первая лента с концом ползуна соединена через подпружиненное натяжное устройство, а вторая лента с другой стороны ползуна соединена напрямую, при этом ползун жестко закреплен к подвижному корпусу, внутри которого в двух шарикоподшипниках с возможностью вращения и устранения осевого люфта установлен микрометрический винт винтовой передачи, к концу которого с помощью соединения ступицы с концом вала жестко закреплен рычаг, прижимаемый пружиной к коррекционной линейке, установленной на обратной стороне основания инструмента с возможностью выполнения юстировочных подвижек при ее закреплении, при этом гайка микрометрического винта винтовой передачи состоит из двух подпружиненных друг относительно друга частей, установленных в шарикоподшипниках с возможностью устранения осевого люфта в неподвижном корпусе, жестко закрепленном к основанию инструмента, при этом первая часть гайки с помощью конической зубчатой передачи соединена с электромеханическим приводом, снабженным муфтой, обеспечивающей возможность отключения муфты при ручном вращении гайки, при этом средство для снятия отсчета измеряемого угла состоит из прямолинейной штанги, жестко закрепленной своим концом сверху основания инструмента на стойке, и на этой штанге нанесены риски для грубого отсчета, соответствующие 1^o, и она снабжена нониусом с ценой деления 0,1^o, жестко закрепленным сверху упомянутого подвижного корпуса с микрометрическим винтом, кроме этого, средство для снятия отсчета снабжено еще устройством для снятия точного отсчета, которое состоит из отсчетного барабана, жестко соединенного с второй частью гайки микрометрического винта, с возможностью точной его установки относительно делений на прямолинейной штанге, на цилиндре которого нанесена шкала точного отсчета, снабженная нониусом, закрепленным сверху на неподвижном корпусе, где размещена гайка микрометрического винта, при этом диаметр кругового сектора, шаг резьбы микрометрического винта и толщина каждой ленты связаны между собой зависимостью

где D - диаметр кругового сектора, мм;
t - шаг резьбы микрометрического винта, мм;
h - толщина каждой ленты, мм,
при этом держатель зрительной трубы соединен с подъемным механизмом шарнирно на оси, проходящей параллельно основанию инструмента и перпендикулярно оптической оси, и за счет двух юстировочных винтов со сферическими головками, ввинченных сверху к торцу подъемного механизма и контактирующих этими головками с нижней поверхностью держателя, обеспечивается возможность точной установки зрительной трубы относительно подвижного зеркала и жесткой фиксации ее, при этом на каждой оправе как подвижного большого зеркала, так и неподвижного малого зеркала базой для крепления зеркала ее отражательной поверхностью служит плоскость, которая предусмотрена на каждой оправе, проходящая точно через ось оправы, и на оправе большого подвижного зеркала на этой плоскости для размещения зеркала выполнено углубление, сверху и снизу этого углубления жестко закреплены две планки и большое подвижное зеркало, вставленное в это углубление, прижато своей отражательной поверхностью к этим планкам, причем для оправы малого неподвижного зеркала предусмотрена дополнительная оправа, которая со вставленным в нее зеркалом жестко закреплена к базовой плоскости основной оправы, и неподвижное зеркало через эту дополнительную оправу своей отражательной поверхностью прижато к этой плоскости, кроме этого оправа неподвижного малого зеркала установлена еще на стойке, жестко закрепленной к основанию инструмента, и как держатель зрительной трубы установлена шарнирно на оси, проходящей параллельно основанию инструмента и перпендикулярно оптической оси, снабжена юстировочными винтами такими же, обеспечивающими возможность в процессе юстировки жесткой фиксации и точной установки отражательной поверхности зеркала относительно отражательной поверхности подвижного зеркала, при этом каждая оправа со вставленным в нее светофильтром выполнена из двух соединенных друг с другом одинаковых в зеркальном отражении половинок, и в положении, когда оправа со светофильтром поворотом вокруг оси на 180^o удалена из оптического канала, она похожа на букву Г, при этом средство для удерживания инструмента выполнено съемным и состоит из вилки, в которой в промежутке между ее стенками жестко закреплен цилиндрический стакан с фланцем у дна, закрытый с помощью резьбового соединения таким же фланцем, и на этот стакан с возможностью вращения насажен корпус с прикрепленной к нему ручкой, внутри которого установлен подпружиненный плунжер с заостренным концом, взаимодействующий этим концом с прорезью разрезной втулки, установленной с возможностью вращения внутри стакана, на котором для плунжера выполнен продольный паз, причем плунжер другим концом связан с рычагом, установленным шарнирно в углублении, выполненном на ручке, для чего на плунжере выполнен паз и запрессован штифт, а конец рычага выполнен под углом и с прорезью под штифт, кроме этого к стенкам корпуса с ручкой, расположенным перпендикулярно вилке, жестко закреплена своими стенками другая вилка, на конце которой сверху шарнирно на двух полуосях установлен хомут с зажимным винтом, отверстие которого выполнено по размеру наружного диаметра корпуса, где размещен вал кругового сектора на основании инструмента, при этом одна боковая и торцевая поверхности каждой стенки вилки на этом конце выполнены друг относительно друга точно под углом 90^o и соединены друг с другом перемычками, на каждой из которых выполнен паз, а снизу основания инструмента с возможностью свободной установки в свой паз шарнирно на осях закреплены два откидных болта, при этом к основанию первой вилки, к которой закреплен корпус с ручкой, снизу жестко закреплена опорная штанга с пятой, установленной на сферическом шарнире снизу штанги.