RU155384U1 - Датчик для точных измерений линейных размеров - Google Patents

Abstract

Датчик для точных измерений линейных размеров, содержащий корпус, линейный шаговый электродвигатель, подпружиненный выдвижной шток с соосно установленным на торце контактным наконечником, отличающийся тем, что выдвижной шток соединён с основным поршнем комбинированного гидроцилиндра размещённого в изолированном корпусе, с противоположной стороны гидроцилиндра соосно основному установлен дополнительный поршень, соосно с которым расположен линейный шаговый электродвигатель, при этом отношение квадратов площадей основного и дополнительного поршней должно быть больше или равно отношению шага линейного шагового электродвигателя к точности измерения датчика.

Description

Полезная модель относится к устройствам для измерений и может быть использована для точных измерений линейных размеров, например, линейных размеров пресс-форм.

Известен датчик MP-10 (см. Металлорежущие системы машиностроительных производств: Учебное пособие для вузов / Под ред. О.В. Таратынова. 2-е изд., доп. И перераб. - М.: МГИУ, 2006. - 363 с). Датчик предназначен для использования в металлорежущих станках с ЧПУ, с целью определения, путем контакта щупа с поверхностью изделия, точных габаритов заготовки, а также местоположение заготовки. Датчик имеет повторяемость измерений до 1 мкм и время выполнения измерений до 9 секунд.

Основными недостатками датчика являются низкая точность измерений и долговременность выполнения измерений.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является датчик линейных перемещений и вибраций (Пат. 2456541 Российская Федерация, G01B 7/00. Датчик линейных перемещений и вибраций / Фадеев А.Н., Копьев С.Ю., Головлев В.В.; заявитель и патентообладатель Закрытое Акционерное Общество «Научно-Технический Центр «Диапром»» - №2011113547/28; заявл. 08.04.2011; опубл. 20.07.2012), содержащий корпус, размещенные в нем линейный шаговый электродвигатель, подпружиненный относительно корпуса выдвижной шток с риской, размещенный соосно с ним контактный наконечник, немагнитную втулку, соединенную с корпусом датчика шпоночным соединением, на которой закреплена измерительная обмотка и к свободному концу которой присоединена гайка, образующая винтовую пару со стальным валом линейного шагового электродвигателя, внутренний стержень, закрепленный в корпусе выдвижного штока гайкой.

С существенными признаками полезной модели совпадает следующая совокупность признаков прототипа: корпус, линейный шаговый электродвигатель (ЛШЭД), подпружиненный выдвижной шток с соосно установленном на торце контактным наконечником.

Недостатком указанного датчика является низкая точность измерения линейных размеров, то есть возможность измерять размеры до 2 мкм, это связано с тем, что соединение выдвижного штока с ЛШЭД выполнено прямым и соответственно датчик лишен возможности использовать коэффициент масштабирования перемещения контактного наконечника.

Предложенное решение направлено на повышение точности измерений линейных размеров от 2 мкм и менее, достигаемое за счет возможности создания малых перемещений контактного наконечника, разностью диаметров основного и вспомогательного поршней гидроцилиндра, а также за счет контакта основного и дополнительного поршней, через гидравлическую жидкость.

Поставленная задача решается тем, что датчик для точных измерений линейных размеров содержит корпус, линейный шаговый электродвигатель, подпружиненный выдвижной шток с соосно установленном на торце контактным наконечником. В предложенном решении выдвижной шток соединен с основным поршнем комбинированного гидроцилиндра, размещенного в изолированном корпусе. С противоположной стороны гидроцилиндра соосно основному установлен дополнительный поршень, соосно с которым расположен линейный шаговый электродвигатель. При этом отношение квадратов площадей основного и дополнительного поршней, должно быть больше или равно отношению шага линейного шагового электродвигателя к точности измерения датчика.

Полезная модель поясняется графическими материалами, где представлена схема датчика точных измерений линейных размеров.

Датчик для точных измерений линейных размеров поверхности 1 состоит из изолированного корпуса 2, в котором размещен комбинированный гидроцилиндр 3 с установленной на нем крышкой 4 через уплотнение 5, например уплотнительное кольцо. Гидроцилиндр 3 содержит основной поршень 6 соединенный с подпружиненным пружиной 7 выдвижным штоком 8, свободный конец которого проходит через манжету 9 в корпусе гидроцилиндра 3 к измеряемой поверхности 1. Свободный конец штока основного поршня имеет контактный наконечник 10. В крышке 4 гидроцилиндра размещен соосный основному дополнительный поршень 11, связанный через жесткую муфту 12 с выходным валом линейного шагового электродвигателя (ЛШЭД) 13 на валу которого размещен энкодер 14, который взаимодействует с микроконтроллером (МК) 15. МК 15 связан с приводом 16 ЛШЭД 13 и обратной связью с блоком интерфейса 17.

Наличие комбинированного гидроцилиндра позволяет производить передачу кинематики между элементами датчика с минимальными потерями, так как гидравлическая жидкость имеет пренебрежительно малый коэффициент сжатия, а наличие в конструкции датчика комбинированного гидроцилиндра с основным и дополнительным поршнем имеющими соотношение квадратов площадей не менее 20, обеспечивает выполнение условия измерения линейных размеров от 2 мкм и менее. Точность измерения в таком случае будет равна:

ТИ=Zлшэд/(Smax²/Smin²),

где Zлшэд - минимальный шаг ЛШЭД, равный 0,04 мм согласно техническим характеристикам,

Smax - площадь основного поршня,

Smin - площадь дополнительного поршня.

Следует отметить, что выбор площадей поршней не нормируется, может быть принят любым, но удовлетворяющий условию: (Smax²/Smin²)≥Zлшэд/ТИ

Зададимся точностью измерений. Например, ТИ=0,002, тогда получим что соотношение квадратов площадей поршней равно 20:

(Smax²/Smin²)=0,04 мм/0,002 мм=20

Следовательно, можно принять например: Smax=100 мм, Smin=22,35 мм.

Связь дополнительного поршня с выходным валом ЛШЭД через жесткую муфту обеспечивает передачу движения от дополнительного поршня к валу ЛШЭД без потерь, что в конечном итоге приводит к повышению точности измерения.

Энкодер сопряженный с ЛШЭД преобразует механическое движение вала ЛШЭД в электрический сигнал и передает эти данные на МК. МК передает на привод последовательность сигналов для измерений, который формирует управляющий сигнал ЛШЭД. Блок интерфейса служит для подачи сигнала о выполнения измерений от ЭВМ станка или координатно-измерительной машины в МК. Таким образом наличие электрической схемы управления датчиком и получения данных и их обработки, имеет преимущества перед механическими способами, так как отсутствие механических элементов сочленения приводит к ускоренному срабатыванию элементов датчика и считывания сигналов, что в конечном итоге приводит к повышению точности измерения.

Датчик для точных измерений линейных размеров работает следующим образом.

Датчик для точных измерений линейных размеров используется для определения размеров изделий, например, матриц и пуансонов пресс-форм. Для этого датчик закрепляется в шпинделе станка или каретке координатно-измерительной машины (на рисунке не показан). С использованием приводов подач датчик фиксируется на расстоянии от измеряемой поверхности 1 до конца контактного наконечника 10 менее известной максимально возможной величины перемещения штока 8. Величина известного максимально возможного перемещения штока рассчитывается на основании известных геометрических размеров конструктивных элементов датчика. Через блок интерфейса 17 от ЭВМ станка или координатно-измерительной машины в микроконтроллер 15 поступает сигнал для выполнения измерений. Микроконтроллер 15 передает на привод 16 ЛШЭД 13 последовательность сигналов для измерений. Привод 16 формирует управляющий сигнал для ЛШЭД 13, который через жесткую муфту 12 перемещает в крышке гидроцилиндра 4 дополнительный поршень 11. Крышка гидроцилиндра 4 соединяется по резьбе с корпусом гидроцилиндра 3 через уплотнение 5, которое обеспечивает герметичность соединения. При этом угол поворота вала ЛШЭД 13 контролируется энкодером 14. Перемещаемый ЛШЭД 13 дополнительный поршень 11, сжимает находящуюся в гидроцилиндре 3 гидравлическую жидкость, перемещая при этом основной поршень 6 на штоке 8 которого установлен контактный наконечник 10. Основной поршень 6 подпружинен пружиной 7 для возврата его в исходное положение, а также для амортизации движения штока 8. Свободный конец штока 8 для уплотнения проходит через манжету 9. Контактный наконечник 10 перемещается до тех пор, пока не возникнет контакт с измеряемой поверхностью 1. После чего произойдет замыкание между выводами микроконтроллера 15 «+» и общим «-». Для исключения замыкания от общего вывода «-» весь корпус 2 датчика выполнен изолированным. Замыкание контакта «+» посредствам микроконтроллера 15 останавливает работу ЛШЭД 13, а микроконтроллер 15 фиксирует угол поворота вала ЛШЭД 13 и передает эти данные в ЭВМ оборудование, которое их преобразует в абсолютное значение. Величина выдвижения дополнительного поршня 11 зависит от угла поворота вала ЛШЭД 13, а величина перемещения штока 8 с контактным наконечником 10 напрямую связана с величиной перемещения дополнительного поршня 6. Таким образом задавшись точностью измерения линейных размеров датчика, которая может быть более или равна 2 мкм, определим соотношение квадратов площадей дополнительного поршня 11 и основного поршня 6.

Таким образом большие перемещения штока ЛШЭД 13 преобразуются в малые перемещения штока 8 основного поршня 6 оснащенного контактным наконечником 10, причем за счет отношения квадратов площадей основного и дополнительного поршней, которое должно быть больше или равно отношению шага линейного шагового электродвигателя к точности измерения датчика, то есть (Smax²/Smin²)≥Zлшэд/ТИ, обеспечивается измерение линейных размером менее 2 мкм.

Claims (1)

1. Датчик для точных измерений линейных размеров, содержащий корпус, линейный шаговый электродвигатель, подпружиненный выдвижной шток с соосно установленным на торце контактным наконечником, отличающийся тем, что выдвижной шток соединён с основным поршнем комбинированного гидроцилиндра размещённого в изолированном корпусе, с противоположной стороны гидроцилиндра соосно основному установлен дополнительный поршень, соосно с которым расположен линейный шаговый электродвигатель, при этом отношение квадратов площадей основного и дополнительного поршней должно быть больше или равно отношению шага линейного шагового электродвигателя к точности измерения датчика.

   

Images