КОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК Российский патент 2024 года по МПК G01B7/08 G01B7/16 G01B5/16 

Область техники

Изобретение относится к контактным датчикам, которые используются в координатно-позиционной машине (например, координатно-измерительной машине или станке) для определения положения поверхности.

Уровень техники

Аддитивное производство, в частности 3D-печать, стали достаточно популярными методами для изготовления деталей различных отраслей промышленности, благодаря возможности создания сложных геометрических форм и скорости производства. В 3D-печати объекты обычно строятся путем послойного наложения материала. Среди различных подходов печати, метод наплавления нитей является наиболее популярной технологией 3D-печати. В настоящее время уже реализованы механизмы для объединения различных инструментов и материалов в единой среде сборки, разработаны методы 3D-печати из нескольких материалов и специальное программное обеспечение для различных подходов к расчету траекторий перемещения печатающей головки 3D-принтера для построения изделия.

3D-принтеры, осуществляющие печать путем послойного наплавления, являются простыми и доступными машинами, однако они требуют доработок, к примеру, готовые изделия часто демонстрируют недостатки в виде шероховатой поверхности, неравномерных механических свойств, необходимости производства конструкций под нависающими элементами, видимой слоистости.

Для расширения возможностей 3D-печати исследовались различные методы нанесения материалов. Например, использовались роботизированные манипуляторы с 6 степенями свободы и многоосевые программы подготовки печати на основе 3D моделей. Возможности 5-осевой 3D-печати предлагают ряд преимуществ в сравнении с 3-осевым методом, в том числе печать без необходимости использования временных поддержек, нанесение криволинейного слоя, улучшающих прочность при воздействии разнонаправленных нагрузок.

На данный момент в 3D-печати более широко используется датчик, воспринимающий контакт только в одном направлении, однако при работе с многокоординатными установками (более трех) необходим датчик, определяющий касание не только в плоскости Z, но и в плоскостях X, Y, то есть воспринимающий боковые касания.

Для печати качественного изделия немаловажно производить выравнивание стола 3D принтера, которое возможно осуществить ручной регулировкой винтов под печатной платформой. Однако этот метод занимает значительное время и имеет недостаточную точность. Автоматическая калибровка печатного стола значительно упрощает эксплуатацию принтера, но для нее требуется контактный датчик, позволяющий определить расстояние до поверхности, с которой он соприкасается.

В 3D-принтере контактный элемент датчика приводится в соприкосновение с исследуемой поверхностью, и в момент касания формируется электрический сигнал, который позволяет зафиксировать касание, и система управления запоминает известные ей координаты подвижного органа в этот момент. Размер и форма детали определяются на основе этих значений координат. Поскольку датчик используется для определения момента контакта с исследуемой деталью, то такой датчик называется «контактным».

Из уровня техники известна конструкция контактного датчика, описанная в патенте JP2000329508A, целью которой является получение точности измерений, за счет усовершенствования конструкции контактного датчика.

Из уровня техники известна конструкция контактного датчика, описанная в патенте US5208993A, который используется на координатно-измерительной машине или станке для определения положения поверхности.

Из уровня техники известна конструкция контактного датчика, описанная в патенте US5353514A, основным элементом которого является зонд-толкатель для координатно-измерительной машины или станка, перемещение которого позволяет определить положение измеряемого объекта.

Из уровня техники известна конструкция датчика для автоматического выравнивания стола 3D-принтера, описанная в патенте CN215283391U. Предлагаемое в данном, а так же в ряде перечисленных выше (JP2000329508A, US5208993A, US5353514A) патентах решение позволяет определить контакт с горизонтальной поверхностью, однако в нем отсутствует возможность определения контакта датчика автоматического выравнивания с вертикальной поверхностью, что не позволяет применять его для калибровки 3D-принтеров с количеством осей больше трех.

Из уровня техники известна конструкция контактного датчика, описанная в патенте US5756886A, которая позволяет неподвижному и подвижному элементам контактировать друг с другом в паре контактных точек в каждом из трех измерений для определения состояния контакта датчика с заготовкой и генерации электрического сигнала касания.

Наиболее близким техническим решением является изобретение, описанное в патенте US2005278969A1 «TOUCH PROBE». Устройство данного контактного датчика служит для точного определения размеров, которое позволяет осуществить точное взаимное расположение элементов конструкции станка с ЧПУ. Элементами контактного датчика являются зонд- толкатель, состоящий из сферического наконечника и штифта, а также такие элементы как пластина, ножки, контактные сферы, упругий элемент. Датчик состоит из шести независимых точек контакта, позволяющих определить наличие контакта с измеряемым объектом. Как правило, шесть контактных точек образованы тремя парами контактных сфер. Все пары расположены на одной окружности на равном угловом расстоянии - 120° между парами. В каждую пару упирается цилиндрическая часть зонда-толкателя (ножка). При контакте сферического наконечника с измеряемым объектом электрическая цепь размыкается, возникает сигнал, который с одной стороны посылается пользователю, к примеру, в виде светового сигнала, а с другой стороны, программному обеспечению измерительной машины, которое таким образом, определяет координаты точки контакта.

Однако недостатком этой конструкции (US2005278969A1), а также конструкции контактного датчика, описанной в патенте US5756886A, является неравномерная чувствительность сферического наконечника в различных точках его контакта с измеряемым объектом. В момент соприкосновения сферического наконечника датчика с исследуемой деталью, в направлении противоположном направлению штифта на пластине, перемещение, осуществляемое зондом-толкателем при отклонении в сторону относительно центральной оси (то есть чувствительность датчика) будет пропорционально расстоянию от оси зонда-толкателя до пары контактных сфер. Однако при перемещении в противоположную сторону расстояние от оси зонда-толкателя до пары контактных сфер будет в два раза больше, соответственно чувствительность датчика в этом направлении будет ниже. Такая систематическая, однако непредсказуемая из-за ориентации датчика погрешность, приводит к неточности измерений.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая задача состоит в том, чтобы предоставить компактное, удобное для установки, простое в использовании и имеющее низкую стоимость производства, устройство, которое позволит добиться повышения точности взаимного расположения измерительного устройства и заготовки (приемной поверхности для аддитивных установок) для станков с числовым программным управлением.

Заявляемое изобретение решает техническую проблему неравномерной чувствительности зонда-толкателя и повышает точность определения координат благодаря своей осесимметричной конструкции.

Технический результат заявляемой конструкции контактного датчика состоит в достижении одинаковой точности измерений во всех направлениях и достигается тем, что контактный датчик, состоит из корпуса, зонда-толкателя, сферического наконечника, штифта, пластины, упругого элемента, в корпусе находится гильза с цилиндрической внутренней поверхностью и плоским дном, а пластина имеет сферическую боковую грань и расположена внутри гильзы, закрепленной в корпусе фиксатором гильзы, пластина нижней плоской гранью упирается в дно гильзы, а верхней плоской гранью взаимодействует с поршнем, поджатым упругим элементом, перемещение поршня воспринимает чувствительный элемент, установленный в посадочное место на держателе, на внешней части которого выполнен паз, оппозитно расположенный с гребнем корпуса, а в верхнюю часть вкручивается регулировочный винт, упирающийся противоположной частью в верхнюю часть корпуса и закрепленный в корпусе фиксатором регулировочного винта, в конструкции держателя присутствует вырез для проводов, по которым проходит электрический сигнал от чувствительного элемента на разъем, соединенный с внешней системой управления и световым индикатором.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение поясняется чертежами (фиг. 1-3), на которых показано:

Фиг. 1 - схематичное расположение основных элементов контактного датчика;

Фиг. 2 - вид, отображающий расположение держателя внутри корпуса;

Фиг. 3 - общий вид контактного датчика для определения координат.

Позициями на фигурах обозначены:

1 - зонд-толкатель;

2 - сферический наконечник;

3 - штифт;

4 - пластина со сферической боковой гранью;

5 - гильза;

6 - поршень;

7 - фиксатор гильзы;

8 - корпус;

9 - упругий элемент;

10 - чувствительный элемент (микропереключатель, ёмкостной датчик, датчик Холла и т.д.);

11 - посадочное место;

12 - держатель;

13 - регулировочный винт;

14 - паз;

15 - гребень;

16 - фиксатор регулировочного винта;

17 - вырез для проводов;

18 - световой индикатор;

19 - разъем.

Как показано на фиг. 1, зонд-толкатель 1 состоит из сферического наконечника 2, расположенного на штифте 3, который в свою очередь закреплен на пластине 4 со сферической боковой гранью. Зонд-толкатель 1 размещен внутри гильзы 5 и верхней плоской гранью соприкасается с поршнем 6, так же размещенным внутри гильзы 5.

На фиг. 2 представлен вид, отображающий расположение держателя внутри корпуса, а на фиг. 3 - общий вид контактного датчика для определения координат, состоящего из гильзы 5, закрепленной фиксатором 7 гильзы 5, необходимым для предотвращения ее перемещения внутри корпуса 8. Внутри гильзы 5 находится зонд-толкатель 1 с поршнем 6. Между поршнем 6 и держателем 12 находится упругий элемент 9. Поршень 6 соприкасается с чувствительным элементом 10, который расположен в посадочном месте 11 держателя 12. Конструкция датчика позволяет осуществлять регулировку по высоте положения держателя 12, с находящимся в нем чувствительным элементом 10 при помощи регулировочного винта 13, вкручивающегося в держатель 12, с другой стороны регулировочный винт 13 упирается в верхнюю плоскость корпуса 8 и может свободно в нем проворачиваться. Держатель 12 не имеет возможность вращения в связи с тем, что в нем имеется паз 14, а в корпусе 8 ответный гребень 15. Регулировочный винт 13 после установки его положения может быть закреплен в свою очередь фиксатором 16 регулировочного винта 13. В держателе 12 так же выполнен вырез 17 для проводов, которые соединяют чувствительный элемент 10 со световым индикатором 18 и разъемом 19, контакты которого соединяются с ответными контактами позиции размещения датчика на подвижном органе станка с ЧПУ.

Устройство работает следующим образом

При движении контактного датчика в горизонтальном направлении сферический наконечник 2 касается какой-либо измеряемой поверхности (вертикальной или наклонной), в последствии чего происходит перемещение зонда-толкателя 1, при котором нижняя плоская грань пластины 4 со сферической боковой гранью упирается в дно гильзы 5. При этом сферическая боковая грань пластины 4 скользит по внутренней цилиндрической поверхности гильзы 5 без горизонтального смещения зонда-толкателя 1 за счет контакта сфера-цилиндр, а верхняя плоская грань пластины 4 со сферической боковой гранью толкает поршень 6 вверх, который сжимает упругий элемент 9. Перемещение поршня 6 в вертикальном направлении воспринимает чувствительный элемент 10, который формирует электрический сигнал, поступающий в дальнейшем на световой индикатор 18, сигнализирующий о контакте зонда-толкателя 1 с измеряемой поверхностью, а так же на разъем 19 для передачи электрического сигнала системе управления станка с ЧПУ. При перемещении датчика по вертикали может происходить контакт сферического наконечника 2 с горизонтальной или наклонной поверхностью, при этом происходит передача поступательного движения зонда-толкателя 1 в вертикальном направлении поршню 6, чье перемещение воспринимает чувствительный элемент 10, формируя электрический сигнал, поступающий на световой индикатор 18 и разъем 19 для передачи электрического сигнала системе управления станка с ЧПУ. После получения информации о положении измеряемого объекта происходит возврат датчика в исходное (до контакта) положение, и контакт сферического наконечника 2 с измеряемой поверхностью пропадает, под действием упругого элемента поршень 6 и зонд-толкатель 1 возвращаются в исходное положение и прекращается подача электрического сигнала.

Возможен вариант конструкции контактного датчика без поршня 6. Наличие в конструкции контактного датчика поршня 6 делает ее технически более сложной, но при этом данный элемент повышает чувствительность контактного датчика в два раза.

Изобретение относится к устройствам для измерения координат точек. Контактный датчик состоит из корпуса, зонда-толкателя, сферического наконечника, штифта, пластины, упругого элемента. При этом в корпусе находится гильза с цилиндрической внутренней поверхностью и плоским дном. Пластина имеет сферическую боковую грань и расположена внутри гильзы, закрепленной в корпусе фиксатором. Пластина нижней плоской гранью упирается в дно гильзы, а верхней плоской гранью взаимодействует с поршнем, поджатым упругим элементом. Перемещение поршня воспринимает чувствительный элемент, установленный в посадочное место на держателе. На внешней части держателя выполнен паз, оппозитно расположенный с гребнем корпуса. В верхнюю часть держателя вкручивается регулировочный винт, который упирается противоположной частью в верхнюю часть корпуса и закреплен в корпусе фиксатором. Держатель имеет вырез для проводов, по которым проходит электрический сигнал от чувствительного элемента на разъем, соединенный с внешней системой управления и световым индикатором. Технический результат заключается в обеспечении одинаковой точности измерений во всех направлениях. 3 ил.

Контактный датчик, состоящий из корпуса, зонда-толкателя, сферического наконечника, штифта, пластины, упругого элемента, отличающийся тем, что в корпусе (8) находится гильза (5) с цилиндрической внутренней поверхностью и плоским дном, а пластина (4) имеет сферическую боковую грань и расположена внутри гильзы (5), закрепленной в корпусе (8) фиксатором (7) гильзы (5), пластина (4) нижней плоской гранью упирается в дно гильзы (5), а верхней плоской гранью взаимодействует с поршнем (6), поджатым упругим элементом (9), перемещение поршня (6) воспринимает чувствительный элемент (10), установленный в посадочное место (11) на держателе (12), на внешней части которого выполнен паз (14), оппозитно расположенный с гребнем (15) корпуса (8), а в верхнюю часть вкручивается регулировочный винт (13), упирающийся противоположной частью в верхнюю часть корпуса (8) и закрепленный в корпусе фиксатором (16) регулировочного винта (13), в конструкции держателя (12) присутствует вырез (17) для проводов, по которым проходит электрический сигнал от чувствительного элемента (10) на разъем (19), соединенный с внешней системой управления и световым индикатором (18).