RU2097698C1

RU2097698C1 - Device setting plane of horizon

Info

Publication number: RU2097698C1
Application number: RU95110817A
Authority: RU
Inventors: С.И. Ражев; В.А. Мейтин
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Красногорский завод им.С.А.Зверева"
Priority date: 1995-06-26
Filing date: 1995-06-26
Publication date: 1997-11-27
Also published as: RU95110817A

Abstract

FIELD: measurement technology for high-accuracy settings of plane of horizon, determination, measurement and orientation of object relative to plane of horizon. SUBSTANCE: proposed device includes case with liquid mounted on base for turn about vertical axis of base, reflector, level gauge, float submerged into liquid and coupled to case with the aid of first cardan joint, second cardan joint. Device is supplemented with damper having mobile and immobile parts which immobile part is attached to case and mobile one-to hollow cylinder, compensators put on float and mobile part of damper. Second cardan joint is set on float and is composed of three rings and hollow cylinder. First and third rings of joint are fitted with weights statically counterbalanced relative to swinging axis which are placed at different heights. Cross-hairs is anchored on end face of hollow cylinder which other end face carries reflector. Reflector can be made in the from of flat mirror or cube. EFFECT: expanded application field, increased accuracy of device. 1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам для высокоточного задания плоскости горизонта, и с применением автоколлимационного устройства может быть использовано для определения, измерения и ориентации объекта относительно плоскостей горизонта. The invention relates to measuring equipment, in particular to means for highly precise definition of the horizon plane, and using an autocollimation device can be used to determine, measure and orient an object relative to the horizon planes.

Известна конструкция маятникого датчика горизонта, содержащая корпус, маятник, жестко скрепленные с ним зеркало, карданный шарнир, демпфирующее устройство. Причиной, препятствующей получению высокой точности задания плоскости горизонта, является отсутствие возможности компенсации угла рассогласования между нормалью плоского зеркала и истинной вертикалью (силой тяжести, приложенной к плоскому зеркалу) до нескольких угловых секунд, а также отсутствие защиты от вибрационного фона [1]
Наиболее близким по технической сущности является устройство для задания плоскости горизонта, содержащее контейнер, заполненный жидкостью и установленный на вращающемся основании, плоское зеркало, поплавок, соединенный с корпусом через карданный шарнир, уровень, установленный на контейнере [2]
Причинами, препятствующими получению высокой точности задания плоскости горизонта, являются: наличие вязкой среды, в которой находится поплавок, установленный на кардановом подвесе, отсутствие возможности компенсации угла рассогласования между выталкивающей силой поплавка и нормалью плоского зеркала, отсутствие возможности уменьшить момент трения покоя в шарикоподшипниках карданового шарнира.A known design of the pendulum horizon sensor, comprising a housing, a pendulum, a mirror rigidly attached to it, a cardan joint, a damping device. The reason that prevents obtaining high accuracy in setting the horizon plane is the lack of the ability to compensate for the mismatch angle between the normal of the flat mirror and the true vertical (gravity applied to the flat mirror) up to several arc seconds, as well as the lack of protection against vibration background [1]
The closest in technical essence is a device for specifying a horizon plane containing a container filled with liquid and mounted on a rotating base, a flat mirror, a float connected to the body through a cardan joint, the level mounted on the container [2]
The reasons that prevent obtaining high accuracy in setting the horizon plane are: the presence of a viscous medium containing a float mounted on a cardan suspension, the inability to compensate for the mismatch angle between the buoyancy of the float and the normal of a flat mirror, and the inability to reduce the resting friction moment in ball bearings of the cardan joint .

Задачей изобретения является создание устройства для задания плоскости горизонта. Технический результат повышение точности установки зеркала в плоскости горизонта. The objective of the invention is to provide a device for defining a horizon plane. EFFECT: increased accuracy of mirror installation in the horizon plane.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для задания плоскости горизонта, содержащее корпус с жидкостью, установленный на основании с возможностью поворота вокруг вертикальной оси основания, отражатель, уровень, поплавок, погруженный в жидкость и связанный с корпусом через первый двухкоординатный кардановый шарнир, второй двухкоординатный кардановый шарнир, в отличие от известного устройства дополнено демпфером, содержащим подвижную и неподвижную части, компенсаторами и грузами, второй двухкоординатный кардановый шарнир выполнен из трех колец и полого цилиндра, установленных концентрично относительно вертикальной оси основания, при этом первое и второе кольца, а также третье кольцо и полый цилиндр выполнены с возможностью попарного, соосного качания во взаимоперпендикулярных плоскостях, кроме того, первое кольцо связано с поплавком, а третье кольцо связано со вторым кольцом, причем на торце полого цилиндра со стороны основания закреплен отражатель, а на противоположном торце перекрестие, первое и третье кольца снабжены грузами, статически уравновешенными относительно осей качания первого и третьего колец и закрепленными на разной высоте, неподвижная часть демпфера закреплена на корпусе, а подвижная на полом цилиндре, на подвижной части демпфера и на поплавке установлены компенсаторы. Отражатель выполнен в виде зеркального куба, а корпус снабжен четырьмя окнами, расположенными напротив вертикальных граней куба. The specified technical result is achieved in that the device for defining the horizon plane, comprising a housing with a liquid mounted on the base rotatably around the vertical axis of the base, a reflector, a level, a float immersed in the liquid and connected to the housing through the first two-coordinate cardan joint, the second two-coordinate the cardan joint, in contrast to the known device, is supplemented with a damper containing movable and fixed parts, compensators and weights, the second two-coordinate card The new hinge is made of three rings and a hollow cylinder mounted concentrically relative to the vertical axis of the base, while the first and second rings, as well as the third ring and the hollow cylinder are made with the possibility of pairwise, coaxial swing in mutually perpendicular planes, in addition, the first ring is connected to the float , and the third ring is connected with the second ring, moreover, a reflector is fixed on the end of the hollow cylinder from the base side, and on the opposite end the crosshair, the first and third rings are provided with loads, statically ravnoveshennymi swing about the axes of the first and third rings and secured at different heights, fixed part of the damper is fixed to the housing and movable on the hollow cylinder to the movable part of the damper installed on the float and compensators. The reflector is made in the form of a mirror cube, and the casing is equipped with four windows located opposite the vertical faces of the cube.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства с выполнением отражателя в виде плоского зеркала; на фиг. 2 принципиальная схема устройства, вид сверху; на фиг. 3 принципиальная схема устройства с выполнением отражателя в виде зеркального куба. In FIG. 1 shows a schematic diagram of a device with a reflector in the form of a flat mirror; in FIG. 2 schematic diagram of the device, top view; in FIG. 3 is a schematic diagram of a device with a reflector in the form of a mirror cube.

Устройство содержит корпус, установленный на основании 1 и выполненный в виде двух полых цилиндров 2 и 3, установленных соосно, причем полый цилиндр 3 установлен в цилиндре 2 и соединен с ним посредством кольца 4. Объем между цилиндрами 2 и 3 и кольцом 4 заполнен жидкостью 5, в которой установлен поплавок 6, соединенный с цилиндром 2 через первый двухкоординатный карданный шарнир 7, две закрепленные на поплавке 6 стойки 8, в которых на двух полуосях 9 установлен второй двухкоординатный кардановый шарнир, содержащий кольца 10, 11, 12, полый цилиндр 13, полуоси 14, 15, 16, подшипники 17, 18, 19, 20. Кольца 10, 11, 12, полый цилиндр 13 и поплавок 6 расположены соосно относительно вертикальной оси цилиндра 2, вертикальная ось которого совмещена с вертикальной осью основания 1. Корпус устройства установлен на основании 1 с возможностью вокруг вертикальной оси основания 1. Первое кольцо 10 второго двухкоординатного шарнира содержит два сквозных отверстия, геометрические оси которых лежат на одной прямой и проходят через геометрический центр первого кольца 10. В каждом из двух отверстий первого кольца 10 установлено по подшипнику 17 и 18. Первое кольцо 10 второго двухкоординатного шарнира установлено на полуосях 9 в шарикоподшипниках 17, а второе кольцо двухкоординатного шарнира в первом кольце 10 на двух полуосях 14, в подшипниках 18, с возможностью соосного качания колец 10, 11 на оси, образованной полуосями 9, 14. Третье кольцо 12 второго двухкоординатного шарнира установлено во втором кольце 11 на полуосях 15 второго кольца 11, в подшипниках 19. Геометрические оси, образованные полуосями 14 и 15 кольца 11, взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости. Центр пересечения геометрических осей, образованных полуосями 14 и 15, совпадает с геометрическим центром второго кольца 11. Третье кольцо 12, так же как и первое кольцо 10, содержит два сквозных отверстия, геометрические оси которых лежат на одной прямой и проходят через геометрический центр третьего кольца 12. В каждом из двух отверстий третьего кольца 12 установлено по подшипнику 19 и 20. Полый цилиндр 13 установлен в третьем кольце 12 на полуосях 16 в подшипниках 20. Геометрические оси полуосей 16 полого цилиндра 13 лежат на одной прямой, которая проходит через ось симметрично полого цилиндра 13. Третье кольцо 12 и полый цилиндр 13 установлены с возможностью их соосного качания на геометрической оси, образованной полуосями 15 и 16. Геометрические оси, образованные полуосями 9, 14 и 15, 16, лежат в одной горизонтальной плоскости и взаимно-перпендикулярны. Первое кольцо 10 и третье кольцо 12 снабжены статически уравновешенными относительно оси качания первого кольца 10 (полуоси 9, 14) грузами 21, 22 и третьего кольца 12 (полуоси 15, 16) грузами 23, 24. Грузы 21, 22, 23, 24 установлены на разной высоте. На торце полого цилиндра 13 со стороны основания 1 закреплен отражатель 25 (двухстороннее плоское зеркало). На противоположном торце полого цилиндра 13 установлено перекрестие 26, центр которого совпадает с осью симметрии полого цилиндра 13. На цилиндре 2 закреплена неподвижная часть демпфера 27, а на полом цилиндре 13 подвижная часть демпфера 28. На подвижной части демпфера 28 установлено компенсационное устройство 29, а на стойках 8 компенсационное устройство 30. Основание 1 снабжено тремя винтами 31. На корпусе устройства установлен уровень 32. Отражатель 25 может быть выполнен в виде зеркального куба 33, а полый цилиндр 2 с четырьмя отверстиями 34, расположенными напротив боковых граней куба 33. The device comprises a housing mounted on the base 1 and made in the form of two hollow cylinders 2 and 3, mounted coaxially, and the hollow cylinder 3 is installed in the cylinder 2 and connected to it by a ring 4. The volume between the cylinders 2 and 3 and the ring 4 is filled with liquid 5 in which a float 6 is mounted, connected to the cylinder 2 through the first two-coordinate cardan joint 7, two racks 8 fixed to the float 6, in which a second two-coordinate cardan joint, containing rings 10, 11, 12, a hollow cylinder 13, is mounted on two axles 9 the floor axis 14, 15, 16, bearings 17, 18, 19, 20. The rings 10, 11, 12, the hollow cylinder 13 and the float 6 are aligned with the vertical axis of the cylinder 2, the vertical axis of which is aligned with the vertical axis of the base 1. The device body is installed on the base 1 with the possibility of rotation around the vertical axis of the base 1. The first ring 10 of the second two-coordinate hinge contains two through holes, the geometric axes of which lie on one straight line and pass through the geometric center of the first ring 10. In each of the two holes of the first ring 10 is installed along the bearings 17 and 18. The first ring 10 of the second two-axis hinge is mounted on the axles 9 in the ball bearings 17, and the second ring of the two-axis hinge in the first ring 10 on the two axles 14, in the bearings 18, with the possibility of coaxial oscillation of the rings 10, 11 on the axis formed axles 9, 14. The third ring 12 of the second two-axis hinge is mounted in the second ring 11 on the axles 15 of the second ring 11, in the bearings 19. The geometric axes formed by the axles 14 and 15 of the ring 11 are mutually perpendicular and lie in the same plane. The center of intersection of the geometric axes formed by the semiaxes 14 and 15 coincides with the geometric center of the second ring 11. The third ring 12, like the first ring 10, contains two through holes, the geometric axes of which lie on one straight line and pass through the geometric center of the third ring 12. In each of the two holes of the third ring 12 is mounted on a bearing 19 and 20. The hollow cylinder 13 is installed in the third ring 12 on the axles 16 in the bearings 20. The geometric axis of the axles 16 of the hollow cylinder 13 lie on one straight line that passes um through the axis of the symmetrically hollow cylinder 13. The third ring 12 and the hollow cylinder 13 are mounted with the possibility of their coaxial swing on the geometric axis formed by the semi-axes 15 and 16. The geometric axes formed by the semi-axes 9, 14 and 15, 16 lie in one horizontal plane and mutually perpendicular. The first ring 10 and the third ring 12 are statically balanced with the weights 21, 22 and the third ring 12 (the half axles 15, 16) with weights 23, 24, statically balanced relative to the axis of swing of the first ring 10 (half shafts 9, 14). The weights 21, 22, 23, 24 are installed at different heights. At the end of the hollow cylinder 13, from the base 1 side, a reflector 25 is fixed (a two-sided flat mirror). A crosshair 26 is installed at the opposite end of the hollow cylinder 13, the center of which coincides with the axis of symmetry of the hollow cylinder 13. The fixed part of the damper 27 is fixed on the cylinder 2, and the movable part of the damper 28 is mounted on the hollow cylinder 13. A compensation device 29 is installed on the movable part of the damper 28, and on racks 8, a compensation device 30. The base 1 is equipped with three screws 31. A level 32 is installed on the device body. Reflector 25 can be made in the form of a mirror cube 33, and a hollow cylinder 2 with four holes 34 is located nnym opposite side faces 33 of the cube.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Винтами 31 основания 1 по уровню 32 выставляют вертикальную ось полого цилиндра 2 в вертикальное положение. Под действием выталкивающей силы, находящейся в жидкости 5, поплавок 6 (грубо), а полый цилиндр 13 под действием силы тяжести (точно) самоустанавливают отражающие поверхности двухстороннего плоского зеркала 25 параллельно плоскости горизонта (направление нормали отражающей поверхности зеркала 25 совпадает с вертикальной осью полого цилиндра 2). Угловую погрешность самоустановки отражающей поверхности плоского зеркала 25 в плоскость горизонта определяют с помощью двухкоординатного автоколлиматора по автоколлимации от отражающей поверхности зеркала 25. Автоколлимацию по поверхности зеркала 25 снимают по двум взаимноперпендикулярным направлениям шкалы автоколлиматора Ax_I и Ay_I. Разворачивают корпус устройства вокруг вертикальной оси основания 1 на 180^o. При развороте корпуса устройства на кольцах 10 и 12 под действием центробежных сил возникает маятниковый момент, образованный за счет разности моментов масс грузов 21 и 22, 23 и 24 относительно оси качания каждого из колец 10, 12. При этом недемпфируемые кольца 10 и 12 совершат более продолжительные колебания, чем демпфируемый полый цилиндр 13. Таким образом уменьшается трение покоя шарикоподшипников 17, 18, 19, 20 и повышается чувствительность второго двухкоординатного шарнира. По автоколлиматору снимают второй отсчет Ax₂ и Ay₂. Положение плоскости горизонта определяют по среднему значению от полученных отсчетов по автоколлиматору.Screws 31 of the base 1 at level 32 set the vertical axis of the hollow cylinder 2 in a vertical position. Under the action of the buoyant force located in the liquid 5, the float 6 (roughly), and the hollow cylinder 13, under the influence of gravity (accurately), install the reflecting surfaces of the two-sided flat mirror 25 parallel to the horizon plane (the normal direction of the reflecting surface of the mirror 25 coincides with the vertical axis of the hollow cylinder 2). The angular error of the self-installation of the reflecting surface of a flat mirror 25 in the horizon plane is determined using a two-coordinate autocollimator according to autocollimation from the reflecting surface of the mirror 25. Autocollimation along the surface of the mirror 25 is recorded in two mutually perpendicular axial and Ax _I and Ay _I autocollimator scales. Unroll the device around the vertical axis of the base 1 180 ^o . When the device case is rotated on rings 10 and 12 under the action of centrifugal forces, a pendulum moment arises due to the difference in the mass moments of the cargoes 21 and 22, 23 and 24 relative to the swing axis of each of the rings 10, 12. Moreover, the non-damped rings 10 and 12 will make more longer oscillations than the damped hollow cylinder 13. Thus, the resting friction of the ball bearings 17, 18, 19, 20 is reduced and the sensitivity of the second two-axis joint increases. A second sample of Ax ₂ and Ay _{2 is} taken by the auto-collimator. The position of the horizon plane is determined by the average value from the obtained readings by the autocollimator.

Устранение угла рассогласования между нормалью двухстороннего плоского зеркала 25 и истинной вертикалью производят с помощью компенсационных устройств 29, 30, что позволяет повысить точность работы с устройством за счет уменьшения систематической погрешности устройства. Компенсационное устройство 30 компенсирует угол между выталкивающей силой поплавка 6 и вертикальной осью поплавка 6 до десятков угловых секунд, контроль осуществляется по перекрестию 26 при вращении корпуса устройства на 360^o вокруг вертикальной оси основания 1. Компенсационное устройство 29 компенсирует угол между направлением нормали двухстороннего плоского зеркала 25 и направлением силы тяжести, приложенной к полому цилиндру 13, до нескольких угловых секунд; контроль осуществляется автоколлиматором по автоколлимации от зеркала 25.

Elimination of the mismatch angle between the normal of a two-sided flat mirror 25 and the true vertical is performed using

compensation devices

29, 30, which improves the accuracy of the device by reducing the systematic error of the device. The compensation device 30 compensates for the angle between the buoyant force of the float 6 and the vertical axis of the float 6 up to tens of arc seconds, the control is carried out at the crosshair 26 when the device body is rotated 360 ^o around the vertical axis of the base 1. The compensation device 29 compensates for the angle between the normal direction of the double-sided flat mirror 25 and the direction of gravity applied to the hollow cylinder 13, up to several arc seconds; control is carried out by an autocollimator by autocollimation from a mirror 25.

При наклоне корпуса устройства на некоторый угол, порядка нескольких угловых минут, поплавок 6 и полый цилиндр 13 будут стремиться сохранить неизменным свое первоначальное положение относительно выталкивающей силы и силы тяжести. Взаимное положение поплавка 6 и полого цилиндра 13 сохраняется. Работа с устройством, в котором отражатель выполнен в виде зеркального куба 33, аналогична вышеизложенной. Устройство с зеркальным кубом 33 будет задавать прямоугольную систему координат, две оси которой будут лежать в плоскости горизонта, а третья ось будет совпадать с направлением истинной вертикали. When the device body is tilted at a certain angle, of the order of several angular minutes, the float 6 and the hollow cylinder 13 will tend to maintain their original position with respect to buoyancy and gravity. The relative position of the float 6 and the hollow cylinder 13 is maintained. Work with a device in which the reflector is made in the form of a mirror cube 33, similar to the above. A device with a mirror cube 33 will define a rectangular coordinate system, the two axes of which will lie in the horizontal plane, and the third axis will coincide with the direction of the true vertical.

Наличие жидкости 5 и поплавка 6, погруженного в нее, повышает виброзащищенность устройства, кроме того, повышение чувствительности двойного двухкоординатного шарнира за счет более продолжительных колебаний колец 10, 12, чем полого цилиндра 13, которые вызваны грузами 21-24, при вращении корпуса устройства вокруг вертикальной оси основания 1, а также введение компенсации угла рассогласования между выталкивающей силой поплавка и геометрической осью поплавка, между силой тяжести, приложенной к полому цилиндру и нормалью плоского зеркала все это позволяет повысить точность устройства, а также улучшить удобства работы с ним. The presence of liquid 5 and a float 6 immersed in it increases the vibration resistance of the device, in addition, increasing the sensitivity of the double two-axis joint due to longer oscillations of the rings 10, 12 than the hollow cylinder 13, which are caused by loads 21-24, when the device body rotates around the vertical axis of the base 1, as well as the introduction of compensation of the mismatch angle between the buoyancy of the float and the geometric axis of the float, between the gravity applied to the hollow cylinder and the normal of the flat mirror improves the accuracy of the device, as well as improve the convenience of working with it.

Использование в устройстве в качестве отражателя зеркального куба 33 позволяет расширить функциональные возможности устройства от задания плоскости горизонта до высокоточного формирования базовой прямоугольной системы координат горизонтальными и вертикальными отражающими гранями зеркального куба. The use of a mirror cube 33 as a reflector in the device allows expanding the device’s functionality from setting the horizon plane to the highly accurate formation of a basic rectangular coordinate system by horizontal and vertical reflecting faces of the mirror cube.

Claims

1. A device for defining a horizon plane, comprising a housing with a liquid mounted on the base with the possibility of rotation around a vertical axis, a reflector, a float immersed in the liquid and connected to the housing through the first two-coordinate cardan joint, the second two-coordinate cardan joint, level and compensators, different the fact that it is supplemented by a damper containing the movable and fixed parts, and weights, moreover, the float and the housing are installed coaxially with the vertical axis of the base, and the second two-coordinate the hinge is made of three rings and a hollow cylinder mounted coaxially with the vertical axis of the base, while the first and second rings, as well as the third ring and the hollow cylinder are made with the possibility of pairwise coaxial swing in mutually perpendicular planes, the first ring is connected to the float, and the third a ring with a second ring, moreover, a reflector is fixed at the end of the hollow cylinder from the base side, and a crosshair at the opposite end, the loads are mounted on the first and third rings, are statically balanced relative to the swing axes of the first and third rings and are fixed at different heights, the fixed part of the damper is fixed to the body, and the movable ones on the hollow cylinder, on the moving part of the damper and on the float, compensators are installed.

2. The device according to claim 1, characterized in that the reflector is made in the form of a mirror cube, and the housing is equipped with four windows located opposite the vertical faces of the cube.