Устройство для измерения нестабильности оси вращения шпинделей, осей и валов Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

тора 3, микрообъектива 4 и плоскопараллельной светоделительной пластинки 8, строит увеличенное изображение траектории центра эталонного тела на экране в плоскости 7 первичной перетяжки. Эта же траектория с помощью фотоэлектрического преобразователя смещений светового пятна по осям X и Y изображается на экране осциллографа 20. С помощью дифференцирования и перекрестного сложения можно получить на экране осциллографа 20 последовательные положения мгновенного центра скоростей контролируемого шпинделя (центроида). 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение достоверности измерений нестабильности положения оси вращения. Измерение нестабильности положения оси вращения основано на основании эталонного/тела - шарика 5, имеющего отражающую поверхность, которая вместе с оптической системой, состоящей из лазера 1, коллима- 7ФигЛ1•

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерениям нестабильности положения мгновенного центра вращения валов, шпинделей, планшайб и т.п..

Известны устройства для измерения нестабильности (биения) оси (центра) вращения валов и шпинделей с помощью образцового тела вращения, чаще всего сферы (полусферы), закрепляемой на вращающемся шпинделе. В процессе вращения шпинделя с образцовым телом вращения его либо ошупывают механически, либо освещают сформированным с помощью оптической системы пучком света, преобразуя смещение центра сферы в сигнал, пропорциональный этому смещению.

Если образцовое тело имеет идеально круглую форму, а ось вращения не имеет биений, то сигналы, снимаемые с измерительных датчиков смещения образцовой поверхности, будут строго гармоническими и позволяют на экране осциллографа (или другого графического регистрирующего прибора) получить двухмерную диаграмму смещений в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которая-при отсутствии биений оси и идеальной круглости образцовой поверхности будет-окружностью, обусловленной остаточным смещением центра образцовой поверхности относительно оси вращения. Обычно по отклонению формы этой окружности от идеальной судят о нестабильности положения мгновенного центра вращения.

Устройства для контроля некруглости тел вращения позволяют осуществлять контроль нестабильности оси вращения, применяя образцовое тело.

Наиболее близким к изобретению является кругломер, содержащий лазер, полупрозрачное зеркало, коллиматор, микрообъектив и эталонное тело вращения, фотоэлектрический преобразователь смещения и осциллограф.

Для точного определения положения мгновенного центра вращения измерения

отступления от идеальной окружности недостаточно.

Известно что мгновенный центр скоростей (то же самое, что и мгновенный центр вращения) можно найти по вектору линейной скорости VA какой-либо точки тела и величине угловой скорости (фиг. 1)

VA ОА ш;

Вектор скорости VA направлен перпендикулярно радиусу вектору ОА или

. o VA dS/dt

Ш (О

Следовательно,

ч/ V л d s/d t-cos У5 ХА - Хо ОА« cos (р

/ / d s/d t sin 00 YA - YO OA- cos p

V V /

XA-Xo - ;YA-Yo -j5.

Таким образом, если на экране осциллографа имеется точка, совершающая движение по некоторой траектории и эта траектория является кривой, повторяющей, в некотором масштабе, траекторию центра эталонной поверхности, то можно найти мгновенный центр скоростей (центр вращения) тела, несущего эту поверхность.

Кривая И, являющаяся геометрическим местом последовательных положений мгновенного центра скоростей, называется центроидой. Центро.ида может быть подвижной и неподвижной. Подвижная центроида строится в системе координат, связанных с движущимся телом. Неподвижная - в координатах неподвижных. Подвижная центроида катится по неподвижной без скольжения.

Из этогр следует, что пр.и отображении на экране осциллографа только кривой I, посторяющей в определенном масштабе отклонения центра эталонного тела по двум перпендикулярным координатам нельзя, ничего сказать о форме и размерах центроиды.

Так, например, если траектория центра эталонного трела является окружностью, то при неравномерной скорости движения этого центра мы можем получить центроиды

самой различной формы и размеров (фиг. 2). На фиг. 2 окружность I является траекторией движения, центра эталонного тела, а кривая II - один из бесчисленных вариантов формы и размеров центроиды.

Следовательно, для получения, центроиды недостаточно располагать только траекторией движения центра эталонного тела.

Таким образом, в применяемых способах измерения нестабильности положения центра вращения ограничиваются лишь анализом формы и размером траектории движения центра эталонного тела. Точность такого измерения определяется остаточной децентрировкой установки эталонного teла. Реальная точность совмещения, центра эталонной поверхности с осью вращения не лучше 0,5 мкм, в то время как требуемая точность измерения нестабильности оси вращения порядка сотой доли микрометра.

Целью изобретения является повышение достоверности измерений нестабильности положения оси вращения.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения нестабильно.сти оси вращения шпинделей, осей и валов, содержащее оптически связанные лазер, полупрозрачное зеркало, коллиматор, микрообьектив и эталонное тело вращения с отражающей поверхностью, закрепляемое соосно с контролируемым шпинделем, фотоэлектрический преобразователь смещения светового пятна по осям X и Y, установленный по ходу отраженного от полупрозрачного зеркала луча и осциллограф, первые входы X и Y которого подключены к соответствующим выходам фотоэлектрического преобразователя, снабжено двумя блоками дифференцирования по времени и двумя элементами суммирования, выход Y фотоэлектрического преобразователя подключен к входу первого блока дифференцирования, и (первому входу второго элемента суммирования, выход X фотоэлектрического преобразователя подключен к входу второго блока дифференцирования и первому входу первого элемен та суммирования, выходы блоков дифференцирования соответствующих элементов суммирования, выход первого элемента суммирования подключен к второму входу Y-осциллографа, а выход второго - ь . второму входу Х-осциллографа подключень к вторым входам.

На фиг. 3 представлены кривые поясня ющие способ измерения нестабильности с помощью устройства; на фиг, 4- блок-схемг устройства. /

В отличие от изображения траектории I центра эталонного тела вращения на экране осциллографа отображается вторая кривая II, получаемая путем перекрестного сложес ния сигналов смещения центра эталонной поверхности и их производных по времени (скоростей движения). Эта вторая кривая II и является искомой центроидой вращающегося шпинделя или планШ.айбы и по ее форQ ме, размерам, нестабильности судят о нестабильности положения оси вращения.

Устройство состоит из лазера 1, создающего пучок 2 света, коллиматора 3, микрообъектива 4, фокусирующего пучок 2 в центр

5 шарика 5, зак эепляемогона контролируемом шпинделе ё, светоделительной пластины 7, при этом отраженный ( луч фокусируется в плоскость 8 первичной перетяжки фотоэлектрического преобразователя смещения светового пятна по осям X и Y, содержащего четырехплощадочный .фотоп)иемник 9, четыре сумматора 10-13 и два вычитающих блока 14 и 15, устройство состоит также из двух блоков 16 и 17 дифференцирования, двух элементов 18 и 19 суммирования, осциллографа 20.

Устройство работает следующим образом.,

Лазер 1 формирует пучок 2 света с по0 мощью коллиматора 3 и фокусируется микрообьективом 4 в центр шарика 5, имеющего отражающее покрытие, и закрепленного на контролируемом шпинделе 6. Возвращенный пучок света фокусируется в плоскость первичной перетяжки луча 7. Часть светового пучка в обратном ходе отражается светоделительной пластинкой 8 и формирует увеличенное изображение мнимого светового пятна, расположенного в

0 центре шарика 5. Это изображение помещается на четырехплощадочном фотоприемнике 9 симметрично по отношению к общему центру площадок. Каждая из четырех площадок (а, б, в, г) попарно включены

5 на сумматоры 10-13.

Выходы четырех первичных сумматоров подключены к входу вычитающих блоков 14 и 15, в результате чего формируются два сигнала, пропорциональные смещениям

0 светового пятна подвум перпендикулярным

осям X и Y. Выходы вычитающих устройств

14 и 15 подключены к входам блоков 16 и 17

дифференцирования. Элементы 18 и 19 сум5 мирования выполняют попарное суммирование сигналов с выхода блока 16 дифференцирующего и вычитающего блока 15 и соответственное выхода блока 17диф ференцирования и вычитающего блока 14.

В результате получают сумму напряжений, пропорциональных смещению по X и

первой производной от смешения по времени и соответственно, где К - коэффициент усиления, что соответствует полученным ранее соотношениям.

Таким образом, на вход Xi, УТОСЦИЛЛОграфа 20 подаются сигналы смещения центра эталонного тела 5, а на вход X2Y2, соответствующие сигналы, позволяющие в любой момент времени в известном масштабе получить координаты мгновенного центра скоростей-и траекторию его движения, т.е. неподвижную центроиду. ; Использование предлагаемого устройства позволяет существенно повысить точность измерения нестабильности положения оси вращения прецизионных шпинделей и получить качественно новые измеряемые величины, форму и размеры центроиды вращения и ее изменения во времени.

Формула изобретения Устройство для измерения нестабильности оси вращения шпинделей, осей и валов, содержащее оптически связанные лазер, полупрозрачное зеркало, коллиметор, микрообъектив и эталонное тело вращения с отражающей поверхностью, закрепляемое соосно с контролируемым шпинделем, фотоэлектрический преобразоватф1ь смещения светового пятна по осям X и Y, установленный на ходу отраженного от полупрозрачного зеркала луча, и осциллографа, первые входы X и Y которого подключены к соответствующим выxoдa 4 фотоэлектрического преобразователя, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности, оно снабжено двумя блоками дифференцирования по времени и двумя элементами суммирования, выход У фотоэлектрического преобразователя подключен к входу первого блока дифференцирования и первому входу второго элемента суммирования, выход X фотоэлектрического преобразователя подключен к входу второго блока дифференцирования и первому входу первого элемента суммирования, выходы блоков дифференцирования подключены к вторым входам соответствующих элементов суммирования, выход первого элемента суммирования подключен к второму входу У-осциллографа, а выход второго У к второму Х-осциллографа.

/

/

/

Фиг 2