Механотронный преобразователь Советский патент 1982 года по МПК H01J21/08 

(54) МЕХАНОТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

1

Изобретение относится к механически управляемым электронным приборам и может быть использовано в машиностроении и приборостроении для измерения и регистрации перемещений и усилий.

Известен механотронный преобразователь перемещений, содержащий общий катод неподвижную сетку и два или более подвижных анода. В нем каждый анод электрически изолирован от других анодов и укреплен на отдельном жестком стержне, воспринимающем механические воздействия 1.

Однако в известном устройстве для создания измерительного усилия в месте контакта управляющего стержня с контролируемым объектом необходимо начальное механическое смещение этого стержня от нулевого положения. Это ограничивает диапазон измеряемых механотроном перемещений в направлении начального механического смещения стержня. Начальное смещение приводит к работе при больших углах отклонения стержня, где возникают дополнительные погрешности за счет механического гистерезиса мембраны.

Недостатком известного устройства является, кроме того, непостоянство величины

измерительного усилия, действующего на контролируемый объект при различных положениях управляющего стержня, так как измерительное усилие пропорционально углу отклонения стержня. Это особенно проявляется при контроле легко деформирующихся деталей и материалов и снижает точность измерений.

Наиболее близким к предлагаемому является механотронный преобразователь, содержащий катод, сетку и два или более подвижных анода, жестко соединенных с внутренним плечом управляющего стержня.

Известный механотронный преобразователь содержит кинематическую систему типа мембрана-стержень, которая представляет собой двухплечий рычаг с точкой опоры в месте соединения стержня с мембраной, причем измеряемые перемещения и усилия прикладываются к внешнему плечу стержня. В нем подвижные аноды, жестко связанные с управляющим стержнем, располагаются при изготовлении несимметрично относительно катода (один из анодов ближе к катоду, чем другой). Балансировка (симметрирование) кинематической системы преобразователя достирается начальным смещением его управляющего стержня при прижатии последнего к контролируемому объекту. При этом начальному смещению управляющего стержня при симметричном расположении анодов соответствует определенное измерительное усилие, определяемое упругими свойствами мембраны 2.

Недостатком известного преобразователя является непостоянство измерительного усилия, действующего на объект контроля при различных положениях управляющего стержня, причем при отклонении стержня от симметричного положения в направлении начального смещения измерительное усилие возрастает, а при отклонении в противоположную сторону уменьщается пропорционально отклонению. Это вызывает переменные деформации при контроле нежестких объектов и снижает точность преобразования.

При контроле параметров быстропеременных механических воздействий, например вибраций, когда внещнее плечо управляющего стержня опирается на вибрирующий объект, в кинематической системе известного преобразователя возникают переходные процессы колебательного затухающего характера. Переходные процессы такого характера обусловлены высокой добротностью кинематической системы механотрона и снижают точность контроля параметров вибраций.

Кроме того, в известном преобразователе не удается оперативно обособить кинематическую систему путем рассоединения управляющего стержня с объектом контроля без нарушения промежуточных механических связей, креплений и др. Это не позволяет оперативно проводить периодическую проверку и калибровку отделенного от объекта контроля преобразователя.

Недостатком известных механотронов является отсутствие возможности оперативного управления величиной измерительного усилия в зависимости от условий работы объекта контроля. Невозможность поддержания величины измерительно усилия на заданном уровне в условиях вибрации объекта контроля вызывает нестабильность контакта управляющего стержня с объектом контроля и, снижает точность преобразования. Устранение влияния вибраций в известных устройствах требует дополнительного применения специальных средств (плит, амортизаторов и др) что не всегда эффективно.

Цель изобретения - повышение точности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в механотронном преобразователем, содержащем катод, сетку и два или более подвижных анода, жестко соединенных с внутренним плечом управляющего стержня, внутреннее плечо управляющего стержня снабжено электромагнитным приводом, выполненным в виде двух магнитных сердечников с обмотками, установленных симметрично относительно управляющего стержня, причем на заключенную между магнитными сердечниками наружную поверхность управляющего стержня нанесено ферромагнитное покрытие, а оси магнитных сердечников ориентированы в направлении рабочих перемещений управляющего стержня.

Управление положением стержня с помощью электромагнитного привода позволит оперативно изменять измерительное усилие в зависимости от условий работы объекта контроля, а также поддерживать измерительное усилие постоянным независимо от положения управляющего стержня.

Появится возможность выбирать начальное положение управляющего стержня исходя из требований точности, не заботясь при этом о создании соответствующего измерительного усилия за счет начального положения стержня.

При контроле объектов, работающих в условиях вибраций, электромагнитный привод позволит поддерживать надежный контакт управляющего стержня с объектом контроля.

Демпфирование механических колебаний кинематической системы механотрона электромагнитным приводом обеспечит сокращение длительности переходных процессов и повысит точность преобразования параметров вибраций.

С помощью электромагнитного привода при необходмости можно осуществить оперативное рассоединение управляющего стержня и объекта контроля для периодической проверки калибровки обособленного механотрона, с последующим восстановлением в месте контакта заданного измерительного усилия.

На фиг. 1 представлен предлагаемый механотронный преобразователь, разрез, на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1.

Механотронный преобразователь содержит общий неподвижный катод 1, два или более подвижных анода 2, жестко соединенных с внутренним плечом управляющего стержня 3. Управляющий стержень 3 имеет точку опоры в месте соединения с мембраной 4. Наружное плечо управляющего стержня 3 воспринимает внешнее механическое воздействие от объекта контроля (не показан). Внутреннее плечо управляющего стержня 3 снабжено электромагнитным приводом в виде двух магнитных сердечников 5 и 6 с соответствующими обмотками 7 и 8, которые установлены симметрично относительно управляющего стержня 3. К магнитным сердечникам 5 и 6 приведены металлические траверсы 9 и 10, с помощью которых осуществляется крепление магнитных сердечников 5 и 6 на опорных слюдяных дисках 11.

Опорные слюдяные диски 11 удерживаются в заданном положении металлическими траверсами 12 и 13, одновременно выполняющими роль подводящих проводников для обмоток 7 и 8.

Оси магнитных сердечников 5 и б ориентированы параллельно направлениям рабочих перемещений управляющего стержня 3.

На заключенную между магнитными сердечниками 5 и 6 наружную поверхность управляющего стержня 3 нанесено ферромагнитное покрытие 14.

Нанесение на управляющий стержень 3 тонкого ферромагнитного покрытия 14 практически не изменит собственной частоты механических колебаний кинематической системы преобразователя.

Для локализации магнитного потока в зазоре между магнитными сердечниками 5 и 6 и ферромагнитным покрытием 14 на управляющем стержне 3 и устранения возможного влияния магнитных полей рассеяния на электронную часть механотронного преобразователя, магнитные сердечники 5 и 6 выбраны полуброневого типа.

Управление по перемещению стержня 3 осуществляется за счет сил взаимодействия магнитного поля сердечником 5 и 6, по соответствующим обмоткам 7, 8 которых пропускают электрический ток, с ферромагнитным покрытием 14 на управляющем стержне 3. В зависимости от направления, в котором необходимо переместить управляющий стержень 3, пропускают электрический ток по одной из обмоток 7 или 8.

При работе в предлагаемом преобразователе измерительное усилие в месте контакта управляющего стержня 3 с объектом контроля складывается из двух составляющих. Составляющая измерительного усилия, определяемая упругими свойствами мембраны 49, прямо пропорциональна отклонению управляющего стержня 3. Составляющая измерительного усилия, определяемая упругими силами магнитного поля, обратно пропорциональна отклонению, поскольку с увеличением отклонения управляющего стержня 3 увеличивается зазор между взаимодействующими частями электромагнитного привода - одним из магнитных сердечников 5, 6 и ферромагнитным покрытием 14 и управляющем стержнем 3.

Таким образом, выбирая определенную величину тока в обмотке магнитного сердечника, можно достичь постоянство измерительного усилия в щироком диапазоне отклонений управляющего стержня 3.

При контроле легко деформируемых объектов уменьшение измерительного усилия до требуемой величины достигается путем компенсации действующих на управляющей стержень 3 упругих сил мембраны 4 встречно направленными силами магнитного поля сердечника, действующими на внутреннее плечо управляющего стержня 3.

Используя сигналы электронной части преобразователя с последующей их обработкой для управления токами в обмотках 7 и 8 магнитных сердечников 6 и 5, можно осуществить различные заданные функциональные зависимости измерительного усилия от угла отклонения управляющего стержня 3.

Управление токами обмоток 7 и 8 сердечников 5 и 6 с помощью сигналов электронной части преобразователя позволит эффективно демпфировать механические колебания кинематической системы, возникающие при переходных процессах. При этом на управляющий стержень 3 с помощью электромагнитного привода в каждый момент времени воздействуют магнитными силами пропорциональными, но противоположно направленными отклонению управляющего стержня 3. Степень демпфирования определяется амплитудой противодействующих магнитных сил и может регулироваться в широких пределах.

Наибольщее рабочее отклонение наружного плеча управляющего стержня выпускаемых промыщленностью механотронных преобразователей лежит в пределах 100- 500 мкм. Считая равными наружное и внутреннее плечи управляющего стержня 3 максимальная величина зазора между магнитными сердечниками 5, 6 и ферромагнитным покрытием 14 управляющего стержня 3 будет иметь те же значения. При зазорах между взаимодействующими частями магнитной цепи порядка 100-500 мкм необходимая напряженность магнитного поля, воздействующая на управляющий стержень 3, может быть достигнута при небольших токах управления в обмотках 7, 8 сердечников 5, 6.

Использование нового элемента-электромагнитного привода в предлагаемом механотронном преобразователе повышает точность контроля.

Возможность управления величиной измерительного усилия электромагнитным приводом расширит сферу применения предлагаемого преобразователя, начиная от контроля нежестких, тонкостенных прецизионных деталей, где требуются небольшие измерительные усилия, до контрюля объектов в условиях вибраций, где для уменьшения погрешности измерения требуются повышенные значения измерительного усилия.

Применение в преобразователе электромагнитного привода устранит необходимость в использовании прижимных устройств и механических креплений управляющего стержня к объекму контроля, что упрощает монтаж и наладку устройств, содержащих предлагаемый преобразователь.

Функциональное управление электромагнитным приводом сигналами электронной части преобразователя позволит достичь ин