ТРЕХКООРДИНАТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЗАИМНЫХ УГЛОВЫХ ПОЛОЖЕНИЙ ОТРАЖАТЕЛЕЙ Российский патент 2008 года по МПК G01B11/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах для измерения взаимных угловых положений зеркальных отражателей или связанных с ними систем координат при наличии произвольных преобразований углов по трем координатам.

Известно устройство [патент РФ №2095753, публ. 1997 г., МПК G01B 11/26, G02B 23/00] для измерения взаимного углового положения отражателей, содержащее автоколлиматор, узел коллинеарного переноса лучей (УКПЛ), с первого по четвертый плоские зеркальные отражатели. При этом второй отражатель ориентирован параллельно первому отражателю. Четвертый отражатель жестко связан со вторым отражателем и образует с ним двугранный угол, равный половине двугранного угла между вторым и третьим отражателями. Вместе с тем, первый отражатель оптически связан со вторым отражателем через автоколлиматор и УКПЛ. Третий отражатель оптически связан со вторым отражателем через автоколлиматор и четвертый отражатель.

Однако с помощью этого устройства невозможно измерить взаимное угловое положение между первым и третьим отражателями при непрерывном изменении их взаимной угловой ориентации или при различных фиксациях произвольных углов между ними в условиях взаимной угловой нестабильности всех элементов.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является двухкоординатный преобразователь углов - устройство для измерения взаимного углового положения отражателей [патент РФ №2186337, публ. 2002 г., МПК G01B 11/26, G02B 23/00], содержащий автоколлиматор, УКПЛ, с первого по восьмой плоские зеркальные отражатели. Устройство включает в себя первый и второй датчики углов поворота, каждый из которых содержит ротор и статор, платформу, на которой закреплены автоколиматор, УКПЛ, статоры первого и второго датчиков углов поворота. Ось вращения ротора первого датчика ориентирована перпендикулярно к оси вращения ротора второго датчика. Первый отражатель жестко связан с ротором второго датчика и ориентирован перпендикулярно к оси его вращения, второй отражатель жестко связан со статором первого датчика и ориентирован параллельно первому отражателю. Третий отражатель жестко связан с ротором первого датчика и ориентирован перпендикулярно к оси его вращения. Четвертый отражатель жестко связан со вторым отражателем и образует с ним двугранный угол, равный половине двугранного угла между вторым и третьим отражателями. Пятый отражатель жестко связан со статором второго датчика и ориентирован параллельно к оси вращения его ротора. Шестой отражатель жестко связан со вторым отражателем и образует с ним двугранный угол, равный половине двугранного угла, образованного между вторым и пятым отражателями. Седьмой отражатель жестко связан с третьим отражателем и ориентирован к нему под прямым углом. Восьмой отражатель жестко связан с первым отражателем и ориентирован к нему под прямым углом. Первый отражатель оптически связан со вторым отражателем через автоколлиматор и УКПЛ. Третий отражатель оптически связан со вторым отражателем через автоколлиматор и четвертый отражатель. Пятый отражатель оптически связан со вторым отражателем через автоколлиматор и шестой отражатель.

Недостатком последнего устройства является то, что с его помощью невозможно выполнить высокоточные измерения взаимного углового положения отражателей при произвольных разворотах зеркальных отражателей вокруг трех осей и наличия взаимной угловой нестабильности всех элементов устройства. Это существенно уменьшает область возможного применения такого устройства. Оно обеспечивает измерения произвольных взаимных угловых положений плоских зеркальных отражателей или связанных с ними пространственных систем координат при наличии произвольных угловых поворотов только вокруг двух осей.

Задачей изобретения является создание трехкоординатного преобразователя - устройства для высокоточных измерений с расширенными условиями применения для случаев произвольных трехкоординатных преобразований углов.

Технический результат - возможность измерения с высокой точностью взаимных угловых положений плоских зеркальных отражателей при их произвольных разворотах вокруг трех осей и при наличии взаимной угловой нестабильности всех элементов устройства.

Преобразователь углов для измерения взаимных угловых положений отражателей, содержащий закрепленные на первой платформе первый автоколлиматор и первый УКПЛ, статоры первого и второго датчиков углов поворота, при этом ось вращения ротора первого датчика ориентирована перпендикулярно к оси вращения ротора второго датчика, а также содержащий с первого по восьмой плоские зеркальные отражатели, при этом первый отражатель жестко связан с ротором второго датчика и ориентирован перпендикулярно к оси его вращения, второй отражатель жестко связан со статором первого датчика и ориентирован параллельно первому отражателю, третий отражатель жестко связан с ротором первого датчика и ориентирован перпендикулярно к оси его вращения, четвертый отражатель жестко связан со вторым отражателем и образует с ним двугранный угол, равный половине двугранного угла между вторым и третьим отражателями, пятый отражатель жестко связан со статором второго датчика и ориентирован параллельно к оси вращения его ротора, шестой отражатель жестко связан со вторым отражателем и образует с ним двугранный угол, равный половине двугранного угла, образованного между вторым и пятым отражателями, седьмой отражатель жестко связан с третьим отражателем и ориентирован к нему под прямым углом, восьмой отражатель жестко связан с первым отражателем и ориентирован к нему под прямым углом, первый отражатель оптически связан со вторым отражателем через первый автоколлиматор и первое УКПЛ; третий отражатель оптически связан со вторым отражателем через первый автоколлиматор и четвертый отражатель; пятый отражатель оптически связан со вторым отражателем через первый автоколлиматор и шестой отражатель, в отличие от известного снабжен второй платформой, кинематически связанной с первой платформой посредством оси вращения, параллельной оси вращения ротора первого датчика, причем ротор этого датчика связан со второй платформой через закрепленную на ней безлюфтовую муфту, а также преобразователь дополнен закрепленными на второй платформе вторым автоколлиматором, вторым УКПЛ, статором третьего датчика угла поворота и введенными с девятого по двенадцатый плоскими зеркальными отражателями, третьим датчиком угла поворота, включающим в себя ротор и статор. При этом ось вращения ротора третьего датчика угла поворота ориентирована перпендикулярно к оси вращения ротора первого датчика. Девятый отражатель жестко связан с ротором третьего датчика и ориентирован перпендикулярно к оси его вращения. Десятый отражатель жестко связан со статором третьего датчика и ориентирован параллельно оси вращения его ротора. Одиннадцатый отражатель жестко связан с седьмым отражателем и образует с ним двугранный угол, равный половине двугранного угла между седьмым и десятым отражателями. Двенадцатый отражатель жестко связан с девятым отражателем и ориентирован к нему под прямым углом. Седьмой отражатель оптически связан с девятым отражателем вторым автоколлиматором и вторым УКПЛ. Десятый отражатель оптически связан с седьмым отражателем через второй автоколлиматор и одиннадцатый отражатель.

На чертеже изображена схема трехкоординатного преобразователя углов для измерения взаимного углового положения отражателей.

Трехкоординатный преобразователь содержит первый автоколлиматор 1, обеспечивающий измерения в статических и динамических условиях, первый УКПЛ 2, восемь плоских зеркальных отражателей с первого по восьмой 3, 4,..., 10. Преобразователь включает в себя первый и второй датчики углов поворота, каждый из которых содержит роторную 11 (12) и статорную 13 (14) части, первую платформу 15, на которой закреплены первый автоколлиматор 1, первое УКПЛ 2, статорные части 13 и 14 первого и соответственно второго датчиков углов поворота. Ось вращения ротора 11 первого датчика ориентирована перпендикулярно к оси вращения ротора 12 второго датчика. При этом первый отражатель 3 жестко связан с ротором 12 второго датчика и ориентирован перпендикулярно к оси его вращения, второй отражатель 4 жестко связан со статором 13 первого датчика и ориентирован параллельно первому отражателю 3. Третий отражатель 5 жестко связан с ротором 11 первого датчика и ориентирован перпендикулярно к оси его вращения, четвертый отражатель 6 жестко связан со вторым отражателем 4 и образует с ним двугранный угол, равный половине двугранного угла между вторым 4 и третьим 5 отражателями. Пятый отражатель 7 жестко связан со статором 14 второго датчика и ориентирован параллельно к оси вращения его ротора 12. Шестой отражатель 8 жестко связан со вторым отражателем 4 и образует с ним двугранный угол, равный половине двугранного угла, образованного между вторым 4 и пятым 7 отражателями. Седьмой отражатель 9 жестко связан с третьим отражателем 5 и ориентирован к нему под прямым углом. Восьмой отражатель 10 жестко связан с первым отражателем 3 и ориентирован к нему под прямым углом. Вместе с тем, первый отражатель 3 оптически связан со вторым отражателем 4 через первый автоколлиматор 1 и УКПЛ 2. Третий отражатель 5 оптически связан со вторым отражателем 4 через первый автоколлиматор 1 и четвертый отражатель 6. Пятый отражатель 7 оптически связан со вторым отражателем 4 через первый автоколлиматор 1 и шестой отражатель 8. В отличие от известного устройства, изобретение дополнено вторым автоколлиматором 16, вторым УКПЛ 17, девятым 18, десятым 19, одиннадцатым 20 и двенадцатым 21 плоскими зеркальными отражателями, третьим датчиком угла поворота, включающим ротор 22 и статор 23, безлюфтовой муфтой 24 и второй платформой 25, на которой закреплены второй автоколлиматор 16, второе УКПЛ 17, статорная часть 23 третьего датчика угла поворота и безлюфтовая муфта 24. Ось вращения ротора 22 третьего датчика угла поворота ориентирована перпендикулярно к оси вращения ротора 11 первого датчика, а вторая платформа 24 кинематически связана с первой платформой 15 посредством оси вращения, параллельной оси вращения ротора 11 первого датчика, причем ротор этого датчика связан со второй платформой 25 безлюфтовой муфтой 24. Вместе с тем, девятый отражатель 18 жестко связан с ротором 22 третьего датчика и ориентирован перпендикулярно к оси его вращения. Десятый отражатель 19 жестко связан со статором 23 третьего датчика и ориентирован параллельно оси вращения его ротора. Одиннадцатый отражатель 20 жестко связан с седьмым отражателем 9 и образует с ним двугранный угол, равный половине двугранного угла между седьмым 9 и десятым 19 отражателями. Двенадцатый отражатель 21 жестко связан с девятым отражателем 18 и ориентирован к нему под прямым углом. Седьмой отражатель 9 оптически связан с девятым отражателем 18 через второй автоколлиматор 16 и второе УКПЛ17. Десятый отражатель 19 оптически связан с седьмым отражателем 9 через второй автоколлиматор 16 и одиннадцатый отражатель 20.

Трехкоординатный преобразователь углов работает следующим образом. С датчиков углов поворота снимаются соответствующие отсчеты O₁, О₂ и О₃ поворотов роторов 11, 12 и 18 относительно статоров 13, 14 и 23 соответственно. Одна часть параллельного пучка лучей из первого автоколлиматора 1 направляется через первый УКПЛ 2 на первый отражатель 3 и после отражения возвращается по тому же пути в первый автоколлиматор 1, где снимаются угловые координаты X1 и Y1 по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Другая часть пучка из первого автоколлиматора 1 попадает на второй отражатель 4 и возвращается обратно в первый автоколлиматор 1, где снимаются отсчеты Х2 и Y2. Третья часть пучка из автоколлиматора 1 после отражения от четвертого отражателя 6 попадает на третий отражатель 5 и, возвращаясь обратно в первый автоколлиматор 1, дает отсчеты Х3 и Y3. Четвертая часть пучка из первого автоколлиматора 1, после отражения от шестого отражателя 8, попадает на пятый отражатель 7 и, возвращаясь обратно в автоколлиматор 1, дает отсчет Y5.

Кроме того, одна часть параллельного пучка лучей из второго автоколлиматора 16 направляется через второй УКПЛ 17 на девятый отражатель 18 и после отражения возвращается по тому же пути во второй автоколлиматор 16, где снимаются угловые координаты Х9 и Y9 по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Другая часть пучка из второго автоколлиматора 16 попадает на седьмой отражатель 9 и возвращается обратно во второй автоколлиматор 16, где снимаются отсчеты Х7 и Y7. Третья часть пучка из второго автоколлиматора 16 после отражения от одиннадцатого отражателя 20 попадает на десятый отражатель 19 и, возвращаясь обратно во второй автоколлиматор 16, дает отсчет Y10.

По разности отсчетов

ΔХ1=Х1-Х2, ΔY1=Y1-Y2, ΔX3=X3-X2, ΔY3=Y3-Y2,

ΔY5-Y5-Y2, ΔХ9=Х9-Х7, ΔY9=Y9-Y7, ΔY10=Y10-Y7

и значениям углов О₁, О₂ и О₃ определяют взаимное угловое положение отражателей 9 и 12 относительно отражателей 1 и 8, или взаимное угловое положение систем координат, с ними связанных.

Таким образом, обеспечено получение технического результата: возможность производить высокоточные измерения взаимных угловых положений плоских зеркальных отражателей (угловых зеркал) или систем координат, с ними связанных, при произвольных разворотах зеркальных отражателей вокруг трех осей и наличия взаимной угловой нестабильности всех элементов устройства (первого и второго автоколлиматоров, первого и второго УКПЛ, биений осей роторов первого, второго и третьего датчиков углов поворота, деформаций первой и второй платформ, погрешностях безлюфтовой муфты и биениях, возникающих при взаимных разворотах платформ). Работа с трехкоординатным преобразователем углов осуществляется как в статических, так и динамических условиях.

Трехкоординатный преобразователь углов для измерения взаимных угловых положений отражателей содержит первый автоколлиматор 1, первый узел коллинеарного переноса лучей (УКПЛ) 2, с первого по восьмой плоские зеркальные отражатели 3...10, первый и второй датчики углов поворота, каждый из которых содержит ротор 11(12) и статор 13(14), первую платформу 15, на которой закреплены первый автоколлиматор 1, первое УКПЛ 2, статоры 13 и 14 первого и второго датчиков углов поворота. При этом связаны жестко: первый отражатель 3 с ротором 12 второго датчика, второй отражатель 4 со статором 13, а третий отражатель 5 с ротором 11 первого датчика, четвертый отражатель 6 со вторым отражателем 4, пятый отражатель 7 со статором 14 второго датчика, шестой 8 со вторым отражателем 4, седьмой 9 с третьим отражателем 5, восьмой 10 с первым отражателем 3. Связаны оптически первый автоколлиматор 1, первое УКПЛ 2, первый 3, второй 4, третий 5, четвертый 6, пятый 7 и шестой 8 отражатели. Преобразователь углов снабжен дополнительно вторым автоколлиматором 16, вторым УКПЛ 17, с девятого по двенадцатый 18...21 плоскими зеркальными отражателями, третьим датчиком угла поворота, включающим ротор 22 и статор 23, безлюфтовой муфтой 24, второй платформой 25, на которой закреплены второй автоколлиматор 16, второе УКПЛ 17, статор 23 третьего датчика угла поворота и безлюфтовая муфта 24. При этом вторая платформа 24 связана кинематически с первой платформой 15, ротор первого датчика связан со второй платформой 25 безлюфтовой муфтой 24. Жестко связаны девятый отражатель 18 с ротором 22 третьего датчика, десятый отражатель 19 со статором 23 третьего датчика, одиннадцатый 20 с седьмым отражателем 9, двенадцатый 21 с девятым отражателем 18. Связаны оптически второй автоколлиматор 16, второе УКПЛ 17, седьмой 9, девятый 18, десятый 19 и одиннадцатый 20 отражатели. Технический результат - повышение точности измерений взаимных угловых положений плоских зеркальных отражателей с возможностью одновременного обеспечения произвольных разворотов зеркальных отражателей вокруг трех осей и при наличии взаимной угловой нестабильности всех элементов устройства. 1 ил.

Преобразователь углов для измерения взаимных угловых положений отражателей, содержащий закрепленные на первой платформе 15 первый автоколлиматор 1 и первый узел коллинеарного переноса лучей 2, статоры 13(14) первого и второго датчиков углов поворота, при этом ось вращения ротора 11 первого датчика ориентирована перпендикулярно к оси вращения ротора 12 второго датчика, а также содержащий с первого по восьмой плоские зеркальные отражатели 3...10, при этом первый отражатель 3 жестко связан с ротором 12 второго датчика и ориентирован перпендикулярно к оси его вращения, второй отражатель 4 жестко связан со статором 13 первого датчика и ориентирован параллельно первому отражателю 3, третий отражатель 5 жестко связан с ротором 11 первого датчика и ориентирован перпендикулярно к оси его вращения, четвертый отражатель 6 жестко связан со вторым отражателем 4 и образует с ним двугранный угол, равный половине двугранного угла между вторым 4 и третьим 5 отражателями, пятый отражатель 7 жестко связан со статором 14 второго датчика и ориентирован параллельно к оси вращения его ротора 12, шестой отражатель 8 жестко связан со вторым отражателем 4 и образует с ним двугранный угол, равный половине двугранного угла, образованного между вторым 4 и пятым 7 отражателями, седьмой плоский зеркальный отражатель 9 жестко связан с третьим отражателем 5 и ориентирован к нему под прямым углом, восьмой плоский зеркальный отражатель 10 жестко связан с первым отражателем 3 и ориентирован к нему под прямым углом, первый отражатель 3 оптически связан со вторым отражателем 4 через первый автоколлиматор 1 и первое устройство коллинеарного переноса лучей 2, третий отражатель 5 оптически связан со вторым отражателем 4 через первый автоколлиматор 1 и четвертый отражатель 6, пятый отражатель 7 оптически связан со вторым отражателем 4 через первый автоколлиматор 1 и шестой отражатель 8, отличающийся тем, что он снабжен второй платформой 25, кинематически связанной с первой платформой 15 посредством оси вращения, параллельной оси вращения ротора 11 первого датчика, причем ротор этого датчика связан со второй платформой 25 через закрепленную на ней безлюфтовую муфту 24, а также преобразователь дополнен закрепленными на второй платформе 25 вторым автоколлиматором 16, вторым устройством коллинеарного переноса лучей 17, статором 23 третьего датчика угла поворота и введенными с девятого по двенадцатый плоскими зеркальными отражателями 18...21, третьим датчиком угла поворота, включающим в себя ротор 22 и статор 23, при этом ось вращения ротора 22 третьего датчика угла поворота ориентирована перпендикулярно к оси вращения ротора 11 первого датчика, девятый отражатель 18 жестко связан с ротором 22 третьего датчика и ориентирован перпендикулярно к оси его вращения, десятый отражатель 19 жестко связан со статором 23 третьего датчика и ориентирован параллельно оси вращения его ротора, одиннадцатый отражатель 20 жестко связан с седьмым отражателем 9 и образует с ним двугранный угол, равный половине двугранного угла между седьмым 9 и десятым 19 отражателями, двенадцатый отражатель 21 жестко связан с девятым отражателем 18 и ориентирован к нему под прямым углом, седьмой отражатель 9 оптически связан с девятым отражателем 18 вторым автоколлиматором 16 и вторым устройством коллинеарного переноса лучей 17, десятый отражатель 19 оптически связан с седьмым отражателем 9 через второй автоколлиматор 16 и одиннадцатый отражатель 20.