RU202350U1 - Гониофотометр - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться для проведения приемочных, сертификационных, приемо-сдаточных, аттестационных, квалификационных и других видов испытаний, осуществляемых заводскими лабораториями предприятий изготовителей автомобильной светотехники и дорожных светосигнальных устройств или лабораториями, осуществляющими контроль выпускаемой или выпущенной на рынок продукции: фар ближнего и дальнего света, передних противотуманных фар, указателей поворота, сигналов торможения, габаритных огней, светофоров и других изделий. Гониофотометр состоит из каркаса, вертикального привода, на котором расположена консоль с возможностью перемещения по направляющим, координатного стола, состоящего из взаимоперпендикулярных платформ, установленных с возможностью перемещения относительно консоли и люксметра. Управление работой гониофотометра производится автоматически, программно-аппаратным комплексом, основой которого является контроллер, представляющий собой программируемый логический контроллер, укомплектованный функциями для управления перемещением.Гониофотометр обеспечивает перемещение оптического прибора в вертикальной, продольной и поперечной взаимоперпендикулярных плоскостях. Вращение испытываемого изделия в горизонтальной и вертикальной плоскостях в сферической системе координат. Измерение значений освещенности в контрольных точках, заданных нормативными документами. Регистрацию и обработку полученных результатов испытаний.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для тестирования и испытаний изделий светотехники, устанавливаемых, преимущественно, на автотранспортные средства, в том числе на соответствие требованиям по светораспределению.

Известны, см., например, Перетягин B.C., Чертов А.Н. Фотометрия и Светотехника. Учебно-методическое пособие. - СПб: Университет ИТМО, 2017, гониофотометры, в том числе с подвижным источником света, обеспечивающие тестирование различных оптических приборов (ОП) на соответствие требований нормативных документов. Представленные в учебно-методическом пособии конструкции гониофотометров носят схематичный характер, удовлетворяют лабораторным учебным работам, характеризуются невысокой точностью и низкой скоростью выполнения измерений.

Известна гониофотометрическая установка «ФЛАКС» для измерения силы света и его пространственного распределения (прототип) см. http://www.goniometer.su/. Установка используется для калибровки фотометрических и колориметрических средств измерений. Серийное производство гониофотометра осуществляется лабораторией «АРХИЛАЙТ» www.arhilight.ru.

Гониофотометр «Флакс» имеет 2 перпендикулярные плоскости вращения измеряемого источника, образуя 2 координаты сканирования его фотометрического тела. Двухкоординатный гониофотометр имеет возможность подсоединения к цепям питания и закрепления на своей поворотной части источников излучения любой конфигурации, размером до 1,8×1,8 м. и весом до 30 кг (для возможности измерения светотехнических характеристик любых светильников и устройств на основе ламп или светодиодов: модулей, светильников, прожекторов, светоблоков, и т.д., имеющих большую массу и размеры). Гониометр имеет датчик угла поворота в горизонтальной плоскости, способный регистрировать угловое перемещение платформы вместе с закрепленным на ней источником в размере 1,2 угловой минуты 0,02 град. Информация с датчика передается в блок регистрации значений, где каждому дискрету угла W присваивается свое значение силы света Ivi, информация о котором, соответственно, поступает с АЦП фотометра.

Конструкция гониофотометра.

Гониофотометр состоит из горизонтальной платформы и вертикальной стойки жестко соединенных между собой и имеющих в месте соединения усиление косынками. Указанное соединение имеет профиль, соответствующий форме «L». В верхней части стойки расположен установочный узел для оптического прибора (ОП) и электромеханический привод вращения ОП в вертикальной плоскости. Блок электромеханического привода ОП устанавливается перпендикулярно стойки. Нижняя платформа содержит привод ручной корректировки места установки горизонтальной платформы и электромеханический привод поворота горизонтальной платформы совместно с вертикальной стойкой в горизонтальной плоскости. Блок электромеханического привода горизонтальной платформы расположен перпендикулярно указанной платформе. Люксометр гониофотометра располагается соосно оптической оси ОП. Точность взаимного расположения неподвижного люксометра и подвижного оптического прибора определяется погрешностями присущими конструкции гониофотометра «Флакс»:

1. Смещение оптической оси ОП от своего номинального расположения определяется суммой погрешностей номинальных размеров деталей (элементов конструкции) из которых состоит узел установки ОП. Одновременно, в погрешности, искажающие точность установки ОП входят погрешности расположения осей (отклонение от соосности), плоскостей, перпендикулярности (неперпендикулярность оси ОП относительно вертикальной стойки гониофотометра на которой располагается ОП).

2. Подвижность ОП в вертикальной плоскости обеспечивается электромеханическим блоком, состоящим из электродвигателя и редуктора закрепленных на противоположной стороне вертикальной стойки и кинематически соединенными с узлом установки ОП. Электромеханический блок установлен перпендикулярно вертикальной стойке и закреплен группой осей. Суммарная погрешность установки электромеханического блока (соединенного с ОП) определяется совокупностью погрешностей от номинального расположения всех деталей (элементов конструкции гониофотометра) и их расположения (отклонения от соосности, перпендикулярности, плоскостности), а также деформаций вертикальной стойки в процессе крепления блока.

3. Подвижность ОП в горизонтальной плоскости обеспечивается электромеханическим блоком, состоящим из электродвигателя и редуктора закрепленных в нижней части гониофотометра и кинематически соединенным с горизонтальной платформой. Электромеханический блок установлен перпендикулярно плоскости горизонтальной платформы. Особенность конструктивного решения заключается в том, что вследствие жесткого неразъемного соединения вертикальной стойки и горизонтальной платформы (форма L) вращение в горизонтальной плоскости относится ко всем конструктивным элементам гониофотометра.

Суммарная погрешность перемещения горизонтальной платформы определяется совокупностью погрешностей от номинального расположения всех деталей и элементов конструкции горизонтальной платформы и их расположения (отклонения от соосности, перпендикулярности, плоскостности), а также деформаций горизонтальной платформы в процессе крепления электромеханического блока.

4. Для уменьшение негативного влияния накопленных погрешностей в конструкцию гониофотометра «Флакс» введен ручной корректор расположения ОП относительно фотоприемника. Ручной привод корректора расположен в полости горизонтальной платформы и представляет собой соединение «ходовой винт - гайка». Ходовой винт расположен вдоль продольной оси горизонтальной платформы и, соответственно, перпендикулярно оси вертикальной стойки. Ручное вращение ходового винта перемещает горизонтальную платформу, жестко соединенную с ней вертикальную стойку и ОП расположенный на вертикальной стойке. Так как ручной корректор, в составе гониофометра, является самостоятельным функциональным узлом, то сумма его погрешностей, как самостоятельного узла, входит в сумму погрешностей, определяющих точность гониофометра в целом.

5. Соединение вертикальной стойки и горизонтальной платформы, как каркаса изделия (форма L) обеспечивается сваркой и усилением косынками (сварка), поэтому каркас, как самостоятельный узел, характеризуется отдельными технологическими базовыми параметрами, имеет существенные интегральные погрешности, из которых основные: отклонение от номинальных размеров соединяемых деталей (в пределах полей допусков на изготовление отдельных деталей), сварочно-температурные деформации и отклонение от перпендикулярности платформы и стойки.

Характерным конструкторским недостатком прототипа является то, что все указанные выше конструктивные элементы объединены жестким каркасом. Все функциональные узлы, каждый из которых имеет существенный набор погрешностей, произвольно расположенных в пространстве, соединены в общую конструкцию. Поэтому, попытка коррекции точности расположения одного узла конструкции (нижней платформы) неизбежно приводит к смещению остальных узлов агрегата. Коррекция расположения любого узла - это перемещение накопленных погрешностей в произвольном направлении.

Задачей технического решения является разработка конструкции гониофометра обеспечивающего повышенную точность при испытании различных изделий светотехники, преимущественно тестирования оптических приборов в автоматическом режиме, устанавливаемых на автотранспортные средства.

Технический результат состоит в том, что заявляемая конструкция гониофометра позволяет расширить диапазон задач, решаемых при испытании изделий, преимущественно тестировании изделий светотехники, повысить точность измерений и уменьшить время тестирования и испытаний.

Поставленная задача решается следующим образом.

1. Испытываемое изделие, например, тестируемый и/или исследуемый оптический прибор отделен от каркаса гониофометра (в отличие от прототипа) и установлен на отдельной площадке в составе координатного стола, представляющего собой две прецизионные линейные платформы, находящиеся под углом 90° относительно друг друга. Продольная платформа может перемещаться на расстояние 400 мм от номинального расположения. Поперечная платформа на расстояние 200 мм. Для передачи движения используется механизм, относящийся к виду «шарико-винтовая передача» (ШВП), для обоих механизмов. Диаметр ходового винта ШВП - 20 мм. шаг винта - 10 мм. Один конец винта зафиксирован в опоре сдвоенным радиально-упорным подшипником, противоположный конец - плавающий.

Привод движения обеспечивается электродвигателем Siemens 1FK7022-5AK71-1DH0-Z Х01 и высокоточным планетарным редуктором фирмы Wittensteinalpxa, передающего крутящий момент на винт ШВП через металлическую сильфонную муфту фирмы R+W типа BKL.

Такая конструкция передачи движения обеспечивает высокую точность передачи, позволяет автоматически компенсировать возможные перекосы платформ и уменьшить вибрационные нагрузки на элементы привода.

Перемещение платформ координатного стола осуществляется по направляющим качения, производства фирмы HIWIN типа HGR 20 R 820 Н.

Каретки фирмы HIWIN типа HGH 20 СА Н+Е2 используются в комплекте с направляющими качения и являются самосмазывающими. Каждая платформа оснащается датчиками положения и аварийными ограничителями перемещения.

2. Координатный стол с установленным на его платформе испытываемым изделием получает вращение в горизонтальной плоскости от вертикального привода, расположенного в корпусе консоли. Корпус консоли представляет собой конструкцию из стали с элементами жесткости. В консоль установлен горизонтальный привод, обеспечивающий поворот испытываемого изделия вокруг вертикальной оси. Привод состоит из двух частей: двигателя и подшипникового редуктора.

Двигатель фирмы Siemens 1FK7060-5AH71-1DB0-Z Х01, включенный через ременную беззазорную передачу приводит в движение подшипниковый редуктор. Подшипниковый редуктор типа TS170-105-TC-P24 фирмы Spinea представляет собой интеграцию высокоточной коробки передач и радиально-упорного подшипника. Контроль угла поворота осуществляется датчиком углового положения типа ERA 4480 фирмы Heidenhain, точность измерения которого составляет 2,5''.

3. Консоль, с возможностью перемещения, располагается на стойке вертикального привода. Установка производится на отдельную платформу, которая кинематически, через передачу «ходовой винт - гайка» обеспечивает перемещение консоли и. соответственно, координатного стола с закрепленным на нем испытываемым изделием. Для передачи крутящего момента используется самосмазывающийся ШВП. Один конец винта шарико-винтовой пары установлен в опоре, другой конец - плавающий. Двигатель передает крутящий момент на винт ШВП через беззазорную ременную передачу.

Такая конструкция передачи движения обеспечивает высокую точность передачи, позволяет автоматически компенсировать возможные перекосы и уменьшить вибрационные нагрузки на элементы привода.

Конструктивным элементом, обеспечивающим точность перемещения консоли на платформе, являются направляющие качения, производства фирмы HIWIN типа HGR30R1 НОС. Каретки фирмы HIWIN типа HGH30HAZ0C+E21 используются в комплекте с направляющими качения.

Стойка вертикального привода кинематически соединена с валом редуктора, установленного в каркасе гониофотометра (вращение вертикального привода в вертикальной плоскости).

4. Каркас гониофотометра состоит из опорной платформы и опорной стойки соединенных в единую сборочную единицу сваркой. Оснащается угловым вертикальным приводом. Привод обеспечивает поворот стойки вертикального привода вокруг горизонтальной оси. Каркас не имеет жестких механических связей с объектом тестирования и, следовательно, не передает комплекс погрешностей деталей и узлов каркаса на испытываемое изделие. Привод, устанавливаемый в каркас, состоит из двух узлов: электродвигателя и подшипникового редуктора. Двигатель фирмы Siemens 1FK7062-2AF71-1DH0-Z Х01, включенный через ременную беззазорную передачу приводит в движение подшипниковый редуктор.

Подшипниковый редуктор типа TS240-153-TC-E-20 фирмы Spinea представляет собой интеграцию высокоточной коробки передач и радиально-упорного подшипника. Контроль угла поворота осуществляется датчиком углового положения типа ERA 4480 фирмы Heidenhain, точность измерения которого составляет 2,5''.

5. Управление работой гониофотометра

Управление работой гониофотометра производится программно-аппаратным комплексом основой которого является контроллер типа SIMOTIONC240PN производства фирмы Siemens, представляющий собой программируемый логический контроллер, укомплектованный функциями для управления перемещением (интерполяции). Подключение основных компонентов к контроллеру производится на основе промышленной шины ProfiNET.

Управление электродвигателями узлов гониофотометра реализовано с применением блоков, подключенных к контроллеру через модуль контроля типа CU320-PN. Каждый из двигающихся узлов имеет по три контура управления: по положению, скорости и моменту. Контур управления по положению реализован в контроллере типа SIMOTIONC240PN; контуры управления по скорости и моменту реализованы в блоках управления двигателями. Все датчики положения, как встроенные в двигатели, так и внешние, подключены к блокам управления при помощи шины Drive-CLiQ.

Общая величина рабочего углового перемещения вокруг вертикальной оси составляет 360°.

Интерфейс реализован на базе цветной сенсорной панели оператора.

Программное обеспечение аппаратного комплекса предназначено для автоматизации процесса проведения испытаний.

Комплекс функционирует под управлением операционной системы семейства Windows, имеет диалоговые окна для управления каждым приводом вращения или перемещения.

6. Люксметр в составе гониофотометра

Используется стандартный люксметр, предназначенный для измерений силы света и освещенности фонарей согласно требований Правил ЕЭК ООН для противотуманных фар, фар ближнего и дальнего света.

На Фиг. 1 показан каркас установки. Расположение и размещение конструктивных элементов.

На Фиг. 2 показано устройство вертикального привода гониофотометра. Расположение и размещение конструктивных элементов.

На Фиг. 3 показано устройство консоли с вертикальным приводом. Расположение и размещение конструктивных элементов.

На Фиг. 4 показан координатный стол гониофотометра его конструкция и расположение координатного стола относительно консоли.

На Фиг. 5 показан координатный стол гониофотометра в плане. Функциональность и конструктивные особенности. Направление перемещения координатного стола.

На Фиг. 6 показано рабочее положение узлов. Расположение элементов конструкции.

На Фиг. 7 показан гониофотометр в сборе. Расположение функциональных агрегатов.

На Фиг. 8 показан технический функциональный результат применения гониофотометра.

На Фиг. 1 показан каркас установки. Состоит из платформы Поз. 1 и соединенной с ней опорной стойкой Поз. 2. В полости опорной стойки смонтированы контроллер управления Поз. 7, силовой блок электропитания Поз. 8, электродвигатель Поз. 10, редуктор Поз. 9 и элементы трансмиссии Поз. 11, обеспечивающие передачу крутящего момента. Полость опорной стойки закрыта панелью Поз. 3 на которой расположены элементы управления узлами и отображения информации гониофотометра: дисплей оператора Поз. 4, выключатель Поз. 5, кнопка аварийного выключения Поз. 6.

На Фиг. 2 показано устройство вертикального привода. Расположение и размещение конструктивных элементов. В корпусе Поз. 12 вертикального привода установлен прецизионный ходовой винт Поз. 13 кинематически соединенный с мотор-редуктором Поз. 15. Вращение вертикального привода Поз. 12 в вертикальной плоскости осуществляется от вала редуктора Поз. 9 расположенного в полости опорной стойки Поз. 2. Управление процессом вращения осуществляется контроллером Поз. 7 расположенным в полости опорной стойки. На корпусе вертикального привода Поз. 12. вдоль его продольной оси расположены направляющие Поз. 14, обеспечивающие перемещение консоли Поз. 18 вдоль корпуса вертикального привода Поз. 12.

На Фиг. 3 показано устройство консоли Поз. 18 во взаимодействии с вертикальным приводом Поз. 12. Ходовая гайка Поз. 16 соединена с консолью Поз. 18 и кинематически связана с прецизионным винтом Поз. 13 установленным в корпусе Поз. 12 вертикального привода. Перемещение консоли Поз. 18 вдоль корпуса вертикального привода Поз. 12 осуществляется по направляющим Поз. 14, которые соединены с консолью Поз. 18 посредством платформы Поз. 17. Платформа Поз. 17 является базой размещения направляющих Поз. 14. Для вращения в горизонтальной плоскости координатного стола Поз. 20, 21, 22 (Фиг. 4) в консоли Поз. 18 установлен мотор-редуктор Поз. 19. Управление процессом вращения осуществляется программно-аппаратным комплексом, контроллер которого Поз. 7 расположен в полости опорной стойки Поз. 2. (Фиг. 2).

На Фиг. 4 показан координатный стол в составе Поз. 20, 21, 22, 23 гониофотометра, его конструкция и расположение координатного стола относительно консоли Поз. 18. Координатный стол, в составе Поз. 20, 21, 22, 23 установлен с возможностью вращения в горизонтальной плоскости гониофотометра. Поз. 20 является поворотной платформой, на которой размещены и с которой соединены продольная платформа Поз. 21, поперечная платформа Поз. 22 и стол установки испытываемого изделия Поз. 23. Вращение (поворот) платформ осуществляется мотор-редуктором Поз. 19 под управлением программно-аппаратного комплекса, контроллер которого Поз. 7 расположен в полости опорной стойки Поз. 2. (Фиг. 2).

На Фиг. 5 показан координатный стол гониофотометра в плане (Вид А). Координатный стол, представляет собой две прецизионные линейные платформы, находящиеся под углом 90° относительно друг друга. Координатный стол состоит из продольной платформы Поз. 21 и поперечной Поз. 22. На координатном столе установлен и закреплен стол установки изделия Поз. 23. В качестве испытываемого изделия может использоваться, например, осветительный прибор (фара) автотракторной техники. Продольная Поз. 21 и поперечная Поз. 22 платформы координатного стола оснащены устройствами, обеспечивающими их перемещение. Продольная платформа может перемещаться на расстояние 400 мм от номинального расположения. Поперечная платформа на расстояние 200 мм. В каждой платформе установлены: мотор-редуктор Поз. 24, ходовой винт Поз. 26 и опорный подшипник Поз. 25, обеспечивающие прецизионное перемещение стола Поз. 23, с установленным на нем испытываемым изделием по координатным осям в горизонтальной плоскости. Управление процессом вращения осуществляется программно-аппаратным комплексом, контроллер которого Поз. 7 расположен в полости опорной стойки Поз. 2. (Фиг. 2).

На Фиг. 6 показано рабочее положение узлов гониофотометра в плане. На стол гониофотометра Поз. 23 устанавливается испытываемое изделие, например, фара автомобильная Поз. 28. На заданном расстоянии Н от продольной оси стола Поз. 23. устанавливается люксметр Поз. 27.

На Фиг. 7 показан гониофотометр в сборе. Расположение функциональных агрегатов. На опорной платформе каркаса Поз. 1 установлена опорная стойка Поз. 2. Стойка вертикального привода Поз. 12 соединена с консолью Поз. 18, причем стойка вертикального привода Поз. 12 установлена с возможностью вращения относительно стойки каркаса Поз. 2, а консоль Поз. 18 установлена с возможностью перемещения вдоль вертикальной стойки привода Поз. 12. На консоли Поз. 18 установлена поворотная платформа Поз. 20 на которой установлены продольная Поз. 21 и поперечная Поз. 22 платформы. На столе Поз. 23 установлено и закреплено испытываемое изделие. Платформы Поз. 20, 21 и 22 установлены с возможностью перемещения (вращения) относительно корпуса консоли Поз. 18.

На Фиг. 8 показан технический функциональный результат применения гониофотометра.

В отличие от прототипа (гониофотометр «флакс») позиционирование испытываемого изделия осуществляется автоматически, одновременно или последовательно в вертикальной, горизонтальной, продольной и поперечной взаимоперпендикулярных плоскостях. Вращение испытываемого изделия в горизонтальной и вертикальной плоскостях в сферической системе координат.

Работа гониофотометра:

1. Установить гониометр таким образом, чтобы его рабочий стол Поз. 23 соответствовал горизонтальному положению.

2. Установить рабочий стол Поз. 23 в нулевое положение.

3. Установить люксметр Поз. 27 таким образом, чтобы центры фотоэлементов оказались на одинаковой высоте с рабочим столом Поз. 23. Установить люксметр Поз. 27 на заданное расстояние Н (25 м, 10 м, 3,16 м). Расстояние определяется от центра осей вращения гониометра (нулевого положения) до центра фотоэлемента.

4. Поверхности фотоэлементов люксметра Поз. 27 должны быть перпендикулярны оси фотометрирования (перпендикулярны консоли Поз. 18).

5. Включить блок питания Поз. 8 гониометра.

6. Включить питание двигателей на дисплее в экранной форме аппаратно-программного обеспечения на соответствующих вкладках.

7. Установить рабочий стол Поз. 23 в нулевое положение.

8. Переместить рабочий стол Поз. 23 по оси Z (движение вверх-вниз) в крайнее нижнее положение с помощью дисплея программно-аппаратного комплекса.

9. Закрепить на рабочем столе Поз. 23 тестируемое изделие (оптический прибор), таким образом, чтобы его рабочая плоскость была направлена в сторону люксметра.

10. Переместить рабочий стол Поз. 23 с закрепленным испытываемым изделием по трем линейным плоскостям таким образом, чтобы исходный центр исследуемого огня (точка на рассеивателе фары для определенной функции) находился в центре осей вращения.

11. Включить питание люксметра Поз. 27 и оптического прибора.

12. Включить ПК и запустить рабочую программу тестирования.

13. Подключиться к контроллеру гониометра нажав на кнопку «Подключение» в окне программы ТОС.

14. Выбрать из меню название файл-задания программы перемещений.

15. Задать название выходного файла.

16. Запустить выполнение программы, нажав кнопку «Выполнение».

17. Подтвердить начало выполнение программы нажав кнопку «ОК».

18. Дождаться окончания выполнения программы.

Достигнутый технический результат

Представленная конструкция гониофотометра обеспечивает повышение точности фотометрических испытаний и сокращение времени тестирования в автоматическом режиме под управлением программно-аппаратного комплекса.

Claims (3)

1. Гониофотометр, выполненный с возможностью установки испытываемого изделия и возможностью взаимодействия с люксметром и устройством обработки и отображения информации, содержащий опорную и поворотную платформы, электромеханический привод, отличающийся тем, что электромеханический привод, обеспечивающий вращение испытываемого изделия совместно с комплексом конструктивных элементов и электромеханических систем в вертикальной плоскости сферической системы координат расположен в полости вертикальной опоры гониофотометра, перемещение консоли с электромеханическим приводом производится по направляющим поворотной стойки от встроенного в поворотную стойку шарико-винтовой передачи, а вращение испытываемого изделия в горизонтальной плоскости сферической системы координат производится электромеханическим приводом, расположенным в консоли вертикально и перпендикулярно ее оси, причем установочная панель координатного стола, выполненного в виде двух перпендикулярно расположенных платформ, каждая из которых оснащена электромеханическим приводом и установлена с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости, выполнена с возможностью закрепления испытываемого изделия.

2. Гониофотометр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электромеханического привода используется мотор-редуктор и соединение ходовой винт - гайка.

3. Гониофотометр по п. 2, отличающийся тем, что соединение ходовой винт - гайка выполнено в форме самосмазывающейся шарико-винтовой передачи (ШВП).

Images