Механотронный преобразователь линейных перемещений Советский патент 1993 года по МПК G01B7/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к преобразователям линейных перемещений, и может быть использовано при измерении геометрических размеров, перемещений и эксплуатационных характеристик изделий машинострое- , ния.

Цель изобретения - повышение точности измерения перемещений и расширение функциональных возможностей за счет реализации характеристики преобразования как в аналоговом, так и в релейном виде.

На фиг.1 приведена схематически конструкция механотронного преобразователя перемещений; на фиг.2 - схема взаимодействия постоянных магнитов; на фиг.З - релейная характеристика преобразования; на фиг.4 - семейство выходных характеристик в аналоговом виде.

Преобразователь содержит корпус 1, в котором установлен измерительный шток 2 с возможностью вертикального возвратно- поступательного движения по шариковым направляющим 3, К выступу корпуса 1 посредством цангового зажима, состоящего из цанги 4 и гайки 5, укреплен механотрон б в кожухе 7 с возможностью смещения его относительно измерительного штока 2, благодаря наличию паза в выступе корпуса и шпонки 8 (см. разрез по АА), причем это смещение фиксируется по шкале 9, нанесенной на выступе корпуса. Таким образом, по шкале 9 можно контролировать задаваемое значение зазора д между полюсами магнитов 20 и 21. Механотрон выполнен в виде сдвоенного диода с общим неподвижным подогревным катодом 10 (подогреватель 11), одним неподвижным 12 и вторым подвижным 13 анодами. Неподвижные электроды жестко соединены с вакуумиро- ванным баллоном мехаиотрона, а его подвижный анод 13 со стержнем 14 впаян в мембрану 15, причем внешняя часть стержня 14 образует штырь 16 механотрона. Мембрана 15 герметично соединена посредством фланца 17 с баллоном механотрона, а электрический вывод электродов последнего осуществляется при помощи проходных электродов 18. Установка и крепление механотрона 6 в кожухе 7 производится с помощью уплотняющего кольца 19 и приклейки фланца 17 к кожуху (например. эпоксидной смолой). В конец штыря 14 вмонтирован первый миниатюрный постоянный магнит 20, взаимодействующий со вторым постоянным магнитом 21, смонтированном на поворотном валике 22, который установлен на скользящей посадке внутри полости измерительного штока 2 с возможностью вращения относительно продольной оси штока. Для поворота валика 22 служит ручка-указатель 23, а для фиксации его в двух диаметрально противополож- ных положениях использована сжатая пружина 24. Последняя размещена в гнезде на рабочей части валика 22 и упирается свободным концом в шарик 25, который, попа дая при вращении валика 22 в одно из двух специальных углублений, расположенных диаметрально противоположно на внутренней поверхности штока 2, фиксирует положение валика в указанных положениях. Шток 2 имеет измерительный наконечник 26 с контактным шариком 27. Для облегчения сборки преобразователя его корпус 1 снабжен двумя крышками - верхней 28 и нижней 29. При этом валик 22 проходит через отверстие в верхней крышке 28, а измерительный шток 2 - через отверстие в нижней крышке 29. Для обеспечения возвратно-поступательных перемещений штока по стрелке М его верхний конец соединен с верхней крышкой посредством пружины 30, которая при соосном расположении постоянных магнитов 20 и 21 находится в сред- несжатом состоянии. Для предотвращения ненужных поворотов штока 2 относительно продольной оси применена шпонка 31, расположенная в гнезде в нижней крышке и входящая своим концом в специальный паз, выполненный на внешней поверхности штока (см.разреэ ББ). Для ограничения штыря 16 механотрона в пределах от его рабочего

диапазона служат два упорных винта 32 и 33, установленных в выступе корпуса 1. Штырь 16, шток2 и валик 22 выполнены из немагнитного материала с целью исключения влияния этих деталей на магнитное вза5 ммодействие магнитов 20 и 21. Электрическая схема включения механотрона представляет собой измерительный че- тырехплечий мост, два плеча которого образованы межэлектродными промежут0 ками сдвоенного диода механотрона, а два других-анодными нагрузками Ra, в одну из диагоналей включен выходной отсчетный прибор ИП, измеряющий выходной ток 1Вых при разбалансировке моста, а в другую ди5 агональ источник анодного напряжения Еа. Напряжение накала подается на подогреватель 11 от источника питания Ен. Для плавной корректировки баланса моста может быть использован переменный рези0 сторВо.

Мехаиотронный преобразователь работает следующим образом.

Для реализации выходной характеристики в релейном виде с помощью ручки 23

5 поворачивается валик 22 на 180° таким образом, что обращенные друг к другу полюса магнитов 20 и 21 становятся одноименными (фиг.2). В этом случае на штырь механотрона, снабженный магнитом 20, действует си0 ла отталкивания второго магнита 21, укрепленного на валике 22 измерительного штока 2. Указанные магниты в сочетании с упругой мембраной механотрона образуют упруго-магнитную перекидную систему

5 (УМПС). Процесс преобразования зависит от взаимодействия силы упругости мембраны FM и силы взаимного отталкивания магнитов FOT.

Как указывалось выше, данный преоб0 разователь для повышения надежности в работе снабжен двумя упорами 32и 33, ограничивающими перемещение штыря 16 механотрона. Эти упоры могут быть установлены также внутри баллона мехзнотро5 на, т.е. выполнены, в виде внутренних ограничителей хода подвижного анода.

Прямой ход ПХ - перемещение измерительного штока 2 вертикально вниз происходит от начального положения (фиг.2), в котором его магнит 21 (положение I магнита

21) находится в точке 0, а штырь механотро- на прижат силой Р0т к упору 32 (положение штыря А). При этом выходной ток механот- рона 1Вых достигает значения Imax (фиг.З). При перемещении измерительного штока на участке оъ вплоть до точки I сила отталкивания магнитов FOT удерживает штырь ме- ханотрона на упоре 32, поэтому ток 1Вых на всем участке сохраняет значение - Imax В момент достижения магнитом 21 положения II сила Рот меняет свое направление, и штырь совершает переброс из положения А в положение Б, где он прижимается к упору 33. При этом происходит так называемое прямое срабатывание УМПС и ток вых достигает значения+lltiax (фиг.З). При дальнейшем движении штока до точки I (точки конечного положения), соответствующей положению III магнита 32 ток Вых сохраняет значение +lmax .

При обратном перемещении измерительного тока (обратный ход) по стрелке ОХ - фиг.2 на отрезке пути от точки I до точки m сила Р0т прижимает штырь механот- рона теперь уже к опору 33. Этот отрезок пути измерительного штока соответствует зоне нечувствительности механотрона «з.н. (фиг.З). В момент достижения точки m (положение IV магнита 21) сила Р0т снова изменяет свое направление и перебрасывает штырь механотрона из положения Б в положение А, то есть происходит обратное срабатывание УМПС. Точка соответствует положению прямого срабатывания УМПС, к которому относится правая ветвь аб петли релейной характеристики абвг описанного механотрона, а точка соответствует положению обратного срабатывания УМПС, к которому относится левая ветвь вг петли абвг релейной характеристики преобразователя. При этом рабочий диапазон перемещения штыря механотрона составляет примерно ±100 мкм, в то время как перемещение штока 2 может составлять ± 1 - ± 5 мм и более. Как показали экспериментальные исследования, в предложенной конструкции механотрона протяженность участков «ь, где Вых -Imax , и аэ.н., где вых -Imax , можно варьировать за счет изменения расстояния между магнитами 20 и 21. Например, при расстоянии между магнитами di 0,5 мм - oi 650 мкм и оу.н. - 600 мкм, при расстоянии дг 1 мм -GO 370 мкм и Оз.н. 250 мкм, при расстоянии ду 1,4 мм - мкм . 100 мкм.

Указанные зависимости оъ f(6) и «э.н. -f(6) позволяют при необходимости изменять и корректировать форму релейных характеристик преобразователя Вых f(x).

Для реализации выходной характери- . стики в аналоговом виде с помощью ручки 5 23 устанавливают валик 22 таким образом, что обращенные друг к другу полюса магнитов 20 и 21 становятся разноименными (фиг.1). В этом случае магниты притягиваются друг к другу, и в результате их взаимодей0 ствия при перемещениях измерительного штока 2 относительно штыря механотрона появляется механическая сила, вызывающая поворот штыря 20 в направлении движения штока 2. Штырь 20, поворачиваясь,

5 изгибает мембрану 15 и отклоняет подвижной анод 13, межэлектродное расстояние катод-подвижный анод изменяется, что, в свою очередь, вызывает изменение тока подвижного анода и приводит к разбалансу

0 мостовой схемы (фиг.1). При этом выходной сигнал механотрона - ток 1вых, возникающий в измерительной диагонали моста и измеряемый выходным прибором ИП-про- порционален перемещению штока 2.

5 Чувствительность по току к перемещению описанного преобразователя зависит от силы сцепления между магнитами 20 и 21, .. Чем меньше расстояние д между полюсами этих магнитов, тем больше сила сцепления

0 и тем большей чувствительностью обладает преобразователь, и наоборот, при увеличении расстояния между указанными магнитами 20 и 21 чувствительность преобразователя уменьшается. Зависимости

5 (фиг.4) между перемещением а измерительного штока 2 в (мкм), возникающего при контроле размеров или перемещений изделий и выходным током вых механотрона в (мкА), показывают, что линейный участок ха0 рактеристики а), соответствующей рабочему диапазону измерений механотрона 6МХ1С, составляет ±100 мкм. Кривые 2, 3 и 4. полученные для того же образца преобразователя, в штырь механотрона которого был вмонтирован магнит,

5 взаимодействующий со вторым магнитом, укрепленным на измерительном штоке 2 снимались при расстояниях между магнитами 5i 0,5 мм (кривая 2), дг 1,5 мм (кривая 3) и 5з 3 мм (кривая 4). Как видно из кривых

0 2, 3 и 4, рабочий диапазон механотрона для (5.1 0,5 мм составляет ± 340 мкм, для дг 1,5 мм этот диапазон равен ±600 мкм, а для 5з 3 мм - ± 1000 мкм, что соотеетст- венно в 3, 4, в б и в 10 раз превышает

5 рабочий диапазон механотрона 6МХ1С, конец штыря которого непосредственно контактировал с перемещающимся изделием (кривая 1).

Таким образом, увеличивая расстояние б между магнитами 20 и 21, можно более чем в 10 раз расширить диапазон измерений механотронного преобразователя перемещений. Следует отметить также, что благодаря отсутствию в преобразователе механически трущихся звеньев, погрешности преобразования, обусловленные трением, в нем отсутствуют. Это обеспечивает значительное (в 1,5-2 раза) снижение основной погрешности измерения. Возможность значительного расширения рабочего диапазона измерений в данном механотронном преобразователе обеспечивается за счет того, что пара взаимодействующих магнитов в этом преобразователе является дополнительным звеном преобразования входного сигнала-перемещения контролируемого изделия в выходной электрический сигнал механотрона. Поскольку в процессе преобразования сила упругости мембраны механотрона действует на его штырь в направлении, противоположном направлению упругой силы, воздействующей на этот штырь со стороны магнитов, то коэффициент преобразования мембранно-магнитно- го звена оказывается меньшим единицы ввиду снижения суммарной жесткости кинематической системы. Это означает, что чувствительность по току к перемещению предлагаемого преобразователя с магнитами будет меньше чувствительности механотрона, работающего на обычно принятом контактном принципе. В то же время рабочий диапазон преобразователя с магнитами будет всегда более широким по сравнению с диапазоном механотрона без указанной магнитной пары. Таким образом, данный преобразователь, в котором магниты расположены разноименными полюсами один к другому, может быть эффективно использован как широкодиапазонный высокоточный преобразователь при измерении перемещений с погрешностью ±1 %. Конструктивный вариант данного механотронного преобразователя с релейной характеристикой преобразования целесообразно использовать в коммутационных устройствах, в датчиках положения контролируемых объектов, в предельных (концевых) выключате- лях, применяемых для ограничения перемещений подвижных объектов, и в других устройствах автоматики. Применение

механотрона с бесконтактным магнитным сцеплением штыря с измерительным штоком позволяет создавать надежные позиционные устройства, в которых

обеспечивается высокая точность позиционирования при значительных перемещениях (ходах) контролируемого изделия. Преобразователь обладает компактностью, универсальностью и простотой схемы включения, удобством в эксплуатации. Он может найти применение в различных устройствах измерительной техники, требующих от датчиков перемещений высокой точности в широком диапазоне измерений. Возможность

получения у п реобразователей релейной характеристики преобразования делает целесообразным и выгодным его использование в различных средствах автоматического контроля и регулирования.

Формула изобретения

1. Механотронный преобразователь линейных перемещений, содержащий полый цилиндрический корпус с направляющими, полый измерительный шток, установленный

с возможностью перемещения в направляющих, а также прикрепленный к стенке корпуса механотрон с управляющим штырем, конец которого размещен в полости корпуса, отличающийся тем, что, с целью

повышения точности измерения и расширения функциональных возможностей за счет реализации характеристики преобразования как в аналоговой, так и в релейной форме, он снабжен двумя установленными

соосно постоянными магнитами, один из которых закреплен в торце штыря механотрона, а другой закреплен внутри измерительного штока с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной плоскости перемещения штыря механотрона, и фиксации этого магнита в двух взаимно противоположных положениях, в которых его магнитная ось совпадает с продольной осью штыря механотрона, шток и штырь механотрона выполнены из немагнитного материала, а направляющие в корпусе - шариковыми.

2. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что магниты обращены один к другому разноименными полюсами.

3. Преобразователь по п.1,отличающий с я тем, что магниты обращены один к другому одноименными полюсами.

+/;.

К - .. КЛ

5

J

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении геометрических размеров, перемещений и эксплуатационных характеристик изделий машиностроения. Цель изобретения - повышение точности измерений перемещений и расширение функциональных возможностей механотронного преобразователя линейных перемещений за счет реализации выходных характеристик преобразования как в аналоговом, так и в релейном виде. Преобразователь содержит два миниатюрных постоянных магнита, установленных соосно. Один магнит вмонтирован в торец штыря механотрона, а Другой магнит смонтирован внутри измерительного штока с возможностью по- сорота в плоскости, перпендикулярной плоскости перемещения штыря механотрона, а также с возможностью фиксации этого магнита в двух взаимно противоположных положениях, в которых его магнитная ось направлена вдоль продольной оси штыря механотрона. Штырь механотрона и измерительный шток выполнены из немагнитного материала, а направляющие в корпусе, в которых установлен измерительный шток, выполнены шариковыми. Для получения характеристики преобразования в релейном виде оба магнита обращены один к другому одноименными полюсами. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

3

2 7 0f

Ж

Редактор

Составитель Г.Берлин Техред М.Моргеитал

л

I 300 я км

ФигЛ

Корректор Н.Гунько