координатно-измерительная машина
Классы МПК: | G01B5/004 для измерения координат точек |
Автор(ы): | Цветков Г.А., Каган М.Г., Бычков Н.А., Костенко В.Д. |
Патентообладатель(и): | Пермский научно-исследовательский технологический институт |
Приоритеты: |
подача заявки:
1990-12-25 публикация патента:
10.11.1996 |
Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения. Цель достигается за счет того, что на штанге 6 закреплено устройство для ориентации измерительной головки, выполненное в виде двух рамок карданного подвеса, внутри которых на платформе установлены два акселерометра, оси которых взаимно перпендикулярны закреплена измерительная головка, и датчики момента и угла. На установочной плите установлена гировертикаль, представляющая собой трехстепенной гироскоп с вертикальным расположением ротора. Устройство стабилизации измерительной головки и гировертикаль электрически связаны с системой управления на базе ЭВМ, включающей усилители, дифференцирующие, коммутирующие элементы и элементы сравнения. 4 ил., 2 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
Формула изобретения
Координатно-измерительная машина, содержащая основание, установленный на нем с возможностью поворота относительно своей оси стол для размещения измеряемой детали, размещенные симметрично относительно стола направляющие, установленную с возможностью перемещения по направляющим поперечину, установленную на поперечине с возможностью перемещения по ней стойку, размещенную на стойке с возможностью перемещения П-образную каретку и связанную с кареткой измерительную головку, предназначенную для соединения с электронно-вычислительной машиной (ЭВМ), отличающаяся тем, что, с целью повышения точности измерения, она снабжена размещенным на поперечине каретки механизмом ориентации измерительной головки, выполненным в виде двухстепенного карданного подвеса, включающего корпус, шарнирно закрепленную в нем рамку, вторую рамку, шарнирно закрепленную внутри первой рамки, закрепленную на второй рамке платформу, на которой закреплена измерительная головка, два акселерометра, размещенные на платформе так, что их оси чувствительности взаимно перпендикулярны, датчики угла поворота и момента, размещенные на соответствующих рамках, и размещенной на основании гировертикалью с закрепленными в ее корпусе с возможностью поворота во взаимно перпендикулярных плоскостях двумя рамками и датчиками угла поворота и момента, установленными на соответствующих рамках гировертикали и предназначенными для соединения с ЭВМ, усилителями сигналов акселерометров и двумя дифференцирующими блоками, двумя элементами сравнения и четырьмя коммутирующими блоками, первый акселерометр через первый усилитель и нормально замкнутые контакты второго и третьего коммутирующих блоков электрически связан с датчиком момента, установленным на оси первой рамки гировертикали, второй акселерометр через нормально замкнутые контакты второго и третьего коммутирующих блоков и второй усилитель электрически связан с датчиком момента, установленным на оси второй рамки гировертикали, выход датчика угла, установленного на оси первой рамки гировертикали, электрически связан с первым входом третьего усилителя, выход которого электрически связан с датчиком момента, установленным на оси первой рамки механизма ориентации, выход датчика угла, установленного на оси первой рамки гировертикали, электрически связан с первым входом четвертого усилителя, выход четвертого усилителя электрически связан с датчиком момента, установленным на оси второй рамки механизма ориентации, выход датчика угла, установленного на оси второй рамки механизма ориентации, электрически связан с входом пятого усилителя, выход пятого усилителя электрически связан с входом первого дифференцирующего блока и первым входом первого элемента сравнения, второй и третий входы которого предназначены для подключения соответственно к первому и второму выходами ЭВМ, выход первого элемента сравнения подключен к первому входу первого коммутирующего блока, второй вход которого предназначен для подключения к второму выходу ЭВМ, выход первого дифференцирующего блока электрически связан с вторым входом третьего усилителя, выход датчика угла, установленного на оси второй рамки механизма ориентации, электрически связан с входом шестого усилителя, выход которого электрически связан с входом второго дифференцирующего блока и первым входом второго элемента сравнения, выход второго дифференцирующего блока электрически связан с вторым входом четвертого усилителя, вход второго коммутирующего блока предназначен для подключения к второму выходу ЭВМ, второй вход второго блока сравнения объединен с вторым входом четвертого и входом третьего коммутирующих блоков и предназначен для подключения к четвертому выходу ЭВМ, третий вход второго блока сравнения через нормально разомкнутые контакты четвертого коммутирующего блока объединен с выходом второго усилителя и датчиком момента, установленным на оси второй рамки гировертикали, и предназначен для подключения к третьему выходу ЭВМ, а выход второго блока сравнения соединен с первым входом четвертого коммутирующего блока.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к техническим измерениям в машиностроении и может быть использовано для линейных и угловых измерений деталей сложной формы. Известны координатно-измерительные машины [1] [2] содержащие установочную плиту, направляющие движения измерительной головки в направлении трех пространственных координат, измерители осевого перемещения, измерительную головку и систему управления и автоматизированной обработки информации. Однако, известные координатно-измерительные машины обладают погрешностью, обусловленной изменением угловой ориентации измерительной головки в процессе перемещения ее вдоль координатных осей, вызванной деформацией несущих механических частей конструкций машины. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является координатно-измерительная машина, содержащая основание установленный на ней с возможностью поворота относительно своей оси стол для размещения измеряемой детали, размещенные симметрично относительно стола направляющие, установленную с возможностью перемещения по направляющим поперечину, установленную на поперечине с возможностью перемещения по ней стойку, размещенную на стойке с возможностью перемещения П-образную каретку и связанную с кареткой измерительную головку, предназначенную для соединения с электронно-вычислительной машиной (ЭВМ) [3]Недостатком этого решения является погрешность, обусловленная изменением угловой ориентации измерительной головки в процессе перемещения ее вдоль координатных осей, вызванной деформацией несущих механических частей конструкции. Целью предлагаемого изобретения является повышение точности координатных измерений. Указанная цель достигается тем, что координатно-измерительная машина, содержащая основание, установленный на ней с возможностью поворота относительно своей оси стол для размещения измеряемой детали, размещенные симметрично относительно стола направляющая, установленную с возможностью перемещения по направляющим поперечину, установленную на поперечине с возможностью перемещения по ней стойку, размещенную на стойке с возможностью перемещения П-образную каретку и связанную с кареткой измерительную головку, предназначенную для соединения с электронно-вычислительной машиной (ЭВМ), согласно предлагаемого изобретения, она снабжена размещенным на поперечной П-образной каретке механизмом ориентации измерительной головки, выполненным в виде двухстепенного карданного подвеса, включающего корпус, шарнирно закрепленную в нем рамку, вторую рамку, шарнирно закрепленную внутри первой рамки, закрепленную на второй рамке платформу, на которой закреплена измерительная головка, два акселерометра, размещенные на платформе так, что их оси чувствительности взаимно перпендикулярны, датчики угла поворота и момента, размещенные на соответствующих рамках, и размещенной на основании гировертикалью с закрепленными в ее корпусе с возможностью поворота во взаимно перпендикулярных плоскостях двумя рамками и датчиками угла поворота и момента, установленными на соответствующих рамках гировертикали, предназначенными для соединения с ЭВМ, усилителями сигналов акселерометров и двумя дифференцирующими блоками, двумя элементами сравнения и четырьмя коммутирующими блоками, первый акселерометр через первый усилитель и нормально замкнутые контакты второго и третьего коммутирующих блоков электрически связан с датчиком момента, установленным на оси первой рамки гировертикали, второй акселерометр через нормально замкнутые контакты второго и третьего коммутирующих блоков и второй усилитель электрически связан с датчиком момента, установленным на оси второй рамки гировертикали, выход датчика угла, установленного на оси первой рамки гировертикали, электрически связан с первым входом третьего усилителя, выход которого электрически связан с датчиком момента, установленным на оси первой рамки механизма ориентации, выход датчика угла, установленного на оси первой рамки гировертикали, электрически связан с первым входом четвертого усилителя, выход четвертого усилителя электрически связан с датчиком момента, установленным на оси второй рамки механизма ориентации электрически связан с входом пятого усилителя, выход пятого усилителя электрически связан с входом первого дифференцирующего блока и первым входом первого элемента сравнения, второй и третий входы которого предназначены для подключения соответственно к первому и второму выходам ЭВМ, выход первого элемента сравнения подключен к первому входу первого коммутирующего блока, второй вход которого предназначен для подключения к второму выходу ЭВМ, выход первого дифференцирующего блока электрически связан со вторым входом третьего усилителя, выход датчика угла, установленного на оси второй рамки механизма ориентации, электрически связан с входом шестого усилителя, выход которого электрически связан с входом второго дифференцирующего блока электрически связан со вторым входом четвертого усилителя, вход второго коммутирующего блока предназначен для подключения к второму выходу ЭВМ, второй вход второго блока сравнения объединен с вторым входом четвертого и входом третьего коммутирующих блоков и предназначены для подключения к четвертому выходу ЭВМ, третий вход второго блока сравнения через нормально разомкнутые контакты четвертого коммутирующего блока объединен с выходом второго усилителя и датчиком момента, установленным на оси второй рамки гировертикали и предназначен для подключения к третьему выходу ЭВМ, а выход второго блока сравнения соединен с первым входом четвертого коммутирующего блока. На фиг. 1 изображена общая схема координатно измерительной машины. На фиг. 2 изображена схема стабилизирующего устройства с системой управления изображения. На фиг. 3 система координат. На фиг. 4 общий вид координатно-измерительной машины. Координатно-измерительная машина включает в себя установочную плиту 1, две призматические направляющие 2, установленные вдоль координатной оси Y, поворотный стол 3 для установки измеряемой детали, на призматических направляющих 2 в аэростатических опорах размещена направляющая 4, осуществляющая перемещение вдоль оси Х, на которой в аэростатических опорах установлена вертикальная стойка 5, на которой вдоль оси Z перемещается, установленная в аэростатических опорах каретка 6. На горизонтальной штанге каретки 6 закреплено устройство для ориентации измерительной головки, содержащее корпус 7, в котором в шарикоподшипниках установлена наружная рамка 8 карданового подвеса, в которой в шарикоподшипниках установлена внутренняя рамка 9 карданного подвеса, внутри которой жестко закреплена платформа 10, снизу к внутренней рамке 9 закреплена измерительная головка 11. В направлении оси Y перемещение каретки 6 измеряется измерительной линейкой 12, привод движения направляющей 4 в направлении оси Y включает в себя: электродвигатель 13, редуктор 14, ленточный привод 15, измерение перемещения вдоль оси Х осуществляется измерительной линейкой 16, привод включает в себя: электродвигатель 17, редуктор 18, ленточный привод 19, измерение перемещения вдоль оси Z осуществляется линейкой 20, привод движения каретки 6 вдоль оси Z осуществляется электродвигателем 21, через редуктор 22 и ленточный привод 23. На платформе 10 установлены два акселерометра 24 и 25, ось чувствительности акселерометра 24 расположена в горизонтальной плоскости и направлена вдоль оси Х, ось чувствительности акселерометра 25 расположена в горизонтальной плоскости перпендикулярно оси чувствительности акселерометра 24 и направлена вдоль оси Y, на оси наружной рамки 8 стабилизирующего устройства установлены датчики момента 26 и датчик угла 27, на оси внутренней рамки 9 стабилизирующего устройства установлены датчики угла 28 и датчик момента 29, на основании 1 установлена гировертикаль, представляющая из себя трехстепенной гироскоп с вертикальным расположением оси ротора, включающая в себя наружную рамку 30, установленную в подшипниках корпуса, внутри наружной рамки 30 в шарикоподшипниках размещена внутренняя рамка 31, на вертикальной оси которой в шарикоподшипниках установлен ротор 32, на оси внутренней рамки 31 размещены датчик момента 33 и датчик угла 34, на оси наружной рамки 30 размещены датчик момента 35 и датчик угла 36, в канале измерения акселерометра 24 установлен усилитель 37, в канале измерения датчика угла 27 установлен усилитель 38 и дифференцирующий блок 39, в канале датчика угла 28 установлен усилитель 40 и дифференцирующий блок 41, в канале датчика угла 34 гировертикали установлен усилитель 42, в канале измерения датчика угла 36 установлен усилитель 43, в канале изменения акселерометра 25 установлен усилитель 44, разворот измерительной головки на заданный угол отклонения v3 вокруг оси внутренней рамки 9 стабилизирующего устройства осуществляется с помощью элемента сравнения 45, коммутирующих устройств 46 и 47, а разворот измерительной головки на заданный угол








Тогда с учетом табл. направляющих косинусов значения измеренных величин можно представить в виде:



Следовательно, согласно (1), измеряемые расстояния в системе координат машины будут иметь погрешности, обусловленные перекрестными связями для расстояния в направлении координаты Х:



где

Ua=ka

где Ua напряжение выхода акселерометра;
ka крутизна характеристики акселерометра;

далее, напряжение с выхода акселерометра 24 подается на вход усилителя 48, с выхода которого напряжение равное:

где

подается на вход датчика момента 35, который развивает момент равный:

где



H кинетический момент ротора. Тогда угол отклонения внутренней рамки 31, измеряемый датчиком угла 34, запишется в виде:

где t время. Напряжение выхода датчика угла 34 с учетом (4) имеет вид:

где


С выхода усилителя 42 напряжение поступает на датчик момента 29, который развивает момент:

где


где


где


Это напряжение подается на второй вход усилителя 42, напряжение выхода которого, равное:

поступает на вход датчика момента 29, который развивает демпфирующий момент:

Кроме того, вокруг оси внутренней рамки 8 устройства стабилизации действует момент неуравновешенности измерительной головки:
Mну= mgloV (15)
где m масса измерительной головки 11;
lo координата центра тяжести системы внутренняя рамка 9 головка 11;
g ускорение силы тяжести. С учетом (9), (14), (15) уравнение движения наружной рамки 8 стабилизирующего устройства имеет вид:

где


Откуда следует, что статическое отклонение системы



присутствующие в выражениях (1). Рассмотрим режим работы стабилизирующего устройства при развороте измерительной головки на заданный угол. Пусть необходимо развернуть измерительную головку 11 вокруг оси наружной рамки 8 на заданный угол

Uэвм= kэвм

где kэвм крутизна характеристики преобразователя ЭВМ. На первый вход элемента сравнения 48 одновременно с четвертого выхода ЭВМ 51 подается команда на включение элемента сравнения 48, а также на включение коммутирующих устройств 49 и 50. При этом размыкаются контакты Р3 и замыкается контакт Р4, подавая напряжение (18) на датчик момента 33, который развивает момент:

Под действием момента (19) ротор гироскопа 32 прецессирует вокруг оси наружной рамки 30, напряжение выхода датчика угла 36:

где


где


Момент (22) вызовет отклонение наружной рамки 8, которое фиксируется датчиком угла 27, напряжение выхода которого:

где



где


При




Пусть отклонение рамки от заданного угла






но,
sin(








Уравнение движения наружной рамки 8 с учетом (27), (28), (19) примет вид:

где


Продифференцировав уравнение (30), получим:

Частное решение уравнения (31)



Класс G01B5/004 для измерения координат точек