Устройство для измерения нестабильности оси вращения шпинделей, осей и валов

(19) 51)5 6 01 В 21/ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ДЕТЕЛЬСТВУ ОРСКОМУ ловые измерени М.; Изд-во ста 7 2 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ОСИ ВРАЩЕНИЯ ШПИНДЕЛЕЙ, ОСЕЙ И ВАЛОВ(57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение достоверности измерений нестабильности положения оси вращения. Измерение нестабильности положения оси вращения основано на основании эталонного,тела - шарика 5, имеющего отражающую поверхность, которая вместе с оптической системой, состоящей из лазера 1, коллима1714358 Хд - Х = ОА сов р -о=ОА созф ости кон- приЯ, оия по ния из тора 3, микрообъектива 4 и плоскопараллельной .светоделительной пластинки 8, строит увеличенное изображение траектории центра эталонного тела на экране в плоскости 7 первичной перетяжки. Эта же траектория с помощью фотоэлектрического преобразователя смещений светового пятИзобретение относится к измерительной технике, а именно к измерениям нестабильности положения мгновенного центравращения валов, шпинделей, планшайб ит.п,Известны устройства для измерения нестабильности (биения) оси (центра) враще-.ния валов и шпинделей с помощьюобразцового тела вращения, чаще всегосферы (полусферы), закрепляемой на вращающемся шпинделе. В процессе вращения шпинделя с образцовым теломвращения его либо ошупывают механически, либо освещают сформированным с помощью оптической системы пучком света,преобразуя смещение центра сферы в сигнал, пропорциональный этому смещению.Если образцовое тело имеет идеальнокруглую форму, а ось вращения не имеетбиений, то сигналы, снимаемые с измерительных датчиков смещения образцовой поверхности, будут строго гармоническими ипозволяют на экране осциллографа (илидругого графического регистрирующегоприбора) получить двухмерную диаграммусмещений в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которая при отсутствиибиений оси и идеальной круглости образцовой поверхности будет окружностью, обусловленной остаточным смещением центраобразцовой поверхности относительно осивращения. Обычно по отклонению формыэтой окружности от идеальной судят о нестабильности положения мгновенного центра вращения.Устройства для контроля некруглтел вращения позволяют осуществлятьтроль нестабильности оси вращения,меняя образцовое тело.Наиболее близким к изобретению является кругломер, содержащий лазер, полупрозрачное зеркало, коллиматор,микрообьектив и эталонное тело вращения,фотоэлектрический преобразователь смещения и осциллограф.Для точного определен ложениямгновенного центра враще мерения на по осям Х и У изображается на экране осциллографа 20. С помощью дифференцирования и перекрестного сложения можно получить на экране осциллографа 20 последовательные положения мгновенного центра скоростей контролируемого шпинделя (центроида). 4 ил. отступления от идеальной окружности недостаточно.Известно что мгновенный центр скоростей (то же самое, что и мгновенный центр 5 вращения) можно найти по вектору линейной скорости Чд какой-либо точки тела и величине угловой скорости (фиг. 1)Чд=Од в;Вектор скорости ЧА нап,равлен перпен дикулярно радиусу вектору ОА илиЧд бЯlбтсо вСледовательно,ЧУ ЧхХд - Х= -- : УА - Уо= -в в20 Таким образом, если на экране осциллографа имеется точка, совершающая движение по некоторой траектории и этатраектория является кривой, повторяющей,в некотором масштабе, траекторию центра2 эталонной поверхности, то можно найтимгновенный центр скоростей (центр вращения) тела, несущего эту поверхность.Кривая 11, являющаяся геометрическимместом последовательных положений мгно 30 венного центра скоростей, называется центроидой. Центроида может быть"подвижной" и "неподвижной". "Подвижнаяцентроида строится в системе координат,связанных с движущимся телом. "Непод 35 вижная - вкоординатахнеподвижных. Подвижная" центроида катится по"неподвижной" без скольжения.Из этого следует, что при отображениина экране осциллографа только кривой 1,40 посторяющей в определенном масштабе отклонения центра эталонного тела по двумперпендикулярным координатам нельзничего сказать о форме и размерах центриды,45 Так, например, если траектория центраэталонного трела является окружностью, топри неравномерной скорости движения этого центра мы можем получить центроидысамой различной формы и размеров(фиг, 2). На фиг. 2 окружностьявляется траекторией движения центра эталонного тела, а кривая- один из бесчисленных вариантов формы и размеров центроиды. 5Следовательно, для получения центроиды недостаточно располагать только траекторией движения центра эталонного тела,Таким образом, в применяемых способах измерения нестабильности положения центра вращения ограничиваются лишь анализом формы и размером траектории движения центра эталонного тела, Точность такого измерения определяется остаточной децентрировкой установки эталонного те ла. Реальная точность совмещения центра эталонной поверхности с осью вращения не лучше 0,5 мкм, в то время как требуемая точность измерения нестабильности оси вращения порядка сотой доли микрометра.Целью изобретения является повышение достоверности измерений нестабильности положения оси вращения.Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения нестабильности 25 оси вращения шпинделей, осей и валов, содержащее оптически связанные лазер, полупрозрачное зеркало, коллиматор, микрообъектив и эталонное тело вращения с отражающей поверхностью, закрепляе мое соосно с контролируемым шпинделем, фотоэлектрический преобразователь смещения светового пятна по осям Х и У, установленный по ходу отраженного от полупрозрачного зеркала луча и осцилло граф, первые входы Х и У которого подключены к соответствующим выходам фотоэлектрического преобразователя, снабжено двумя блоками дифференцирования по времени и двумя элементами сумми рования, выход У фотоэлектрического преобразователя подключен к входу первого блока дифференцирования, и первому входу второго элемента суммирования, выход Х фотоэлектрического преобразователя 45 подключен к входу второго блока дифференцирования и первому входу первого элемента суммирования, выходы блоков дифференцирования соответствующих элементов суммирования, выход первого эле. 50 мента суммирования подключен к втором входу У-осциллографа, а выход второго - и , второму входу Х-осциллографа подключень к вторым входам. 55 На фиг. 3 представлены кривые поясня ющие способ измерения нестабильности ( помощью устройства; на фиг, 4 - блок-схем; устройства,/ В отличие от изображения траекториицентра эталонного тела вращения на экране осциллографа отображается вторая кривая , получаемая путем перекрестного сложения сигналов смещения центра эталонной поверхности и их производных по времени (скоростей движения). Эта вторая криваяи является искомой центроидой вращающегося шпинделя или планшайбы и по ее фор-ме, размерам, нестабильности судят о нестабильности положения осивращения,Устройство состоит из лазера 1, созда-ющего пучок 2 света, коллиматора 3, микро- объектива 4, фокусирующего пучок 2 в центр шарика 5, закрепляемого на контролируемом шпинделе 6, светоделительной пластины 7, при этом отраженныйлуч фокусируется в плоскость 8 первичной перетяжки фотоэлектрического преобразователя смещения светового пятна по осям Х и У, содержащего четы рехплощадочны й . фото- приемник 9, четыре сумматора 10 - 13 и два вычитающих блока 14 и 15, устройство состоит также из двух блоков 16 и 17 дифференцирования, двух элементов 18 и 19 суммирования, осциллографа 20.Устройство работает следующим образом.Лазер 1 формирует пучок 2 света с помощью коллиматора 3 и фокусируется микрообъективом 4 в центр шарика 5, имеющего отражающее покрытие, и закрепленного на контролируемом шпинделе 6,Возвращенный пучок света фокусируется в плоскость первичной перетяжки луча 7, Часть светового пучка в обратном ходе отражается светоделительной пластинкой 8 и формирует увеличенное изображение мнимого светового пятна, расположенного в центре шарика 5. Это изображение помещается на четырехплощадочном фотоприемнике 9 симметрично по отношению к общему центру площадок, Каждая из четырех площадок (а, б, в, г) попарно включены на сумматоры 10 - 13.Выходы четырех первичных сумматоров подключены к входу вычитающих блоков 14 и 15, в результате чего формируются два сигнала, пропорциональные смещениям светового пятна подвум перпендикулярным осям Х и У. Выходы вычитающих устройств 14 и 15 подключены к входам блоков 16 и 17 дифференцирования. Элементы 18 и 19 суммирования выполняют попарное суммирование сигналов с выхода блока 16 дифференцирующего и вычитающего блока 15 и соответственно с выхода блока 17 дифференцирования и вычитающего блока 14.В результате получают сумму напряжений, пропорциональных смещению по Х ипервой производной от смешения по времени и соответственно, где К - коэффициент усиления, что соответствует полученным ранее соотношениям.Таким образом, на вход Х, У 1 осциллографа 20 подаются сигналы смещения центра эталонного тела 5, а на вход Х 2 У 2, соответствующие сигналы, позволяющие в любой момент времени в известном масштабе получить координаты мгновенного центра скоростей и траекторию его движения, т.е. неподвижную центроиду.Использование предлагаемого устройства позволяет существенно повысить точность измерения нестабильности положения оси вращения прецизионных шпинделей и получить качественно новые измеряемые величины, форму и размеры центроиды вращения и ее изменения во времени.Формула изобретения Устройство для измерения нестабильности оси вращения шпинделей, осей и валов, содержащее оптически связанные лазер, полупрозрачное зеркало, коллиметор, микрообъектив и эталонное тело вращения с отражающей поверхностью, закрепляемое соосно с контролируемым шпинделем, фотоэлектрический преобразователь смещения светового пятна по осям Х 5 и У, установленный на ходу отраженного отполупрозрачного зеркала луча, и осциллографа, первые входы Х и У которого подклю- .чены к соответствующим выходам фотоэлектрического преобразователя, о т л и ча ющееся тем,что,с целью повышения достоверности, оно снабжено двумя блоками дифференцирования по времени и двумя элементами суммирования, выход У фотоэлектрического преобразователя под ключен к входу первого блока дифференцирования и первому входу второго элемента суммирования, выход Х фотоэлектрического преобразователя подключен к входу второго блока дифференцирования и первому 20 входу первого элемента суммирования, выходы блоков дифференцирования подключены к вторым входам соответствующих элементов суммирования, выход первого элемента суммирования подключен к второ му входу У-осциллографа, а выход второго Ук второму Х-осциллографа.аз 682 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 ГКНТ СССР Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 зводственно-издательский ком