Механотронный преобразователь линейных перемещений

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУбЛИК 1)ю 6 01 В 7/ОО ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) Е ИЗОБРЕТЕНСВИДЕТЕЛЬСТВУ ОПИСАН К АВТОРС 1(ОМ(56) Авторское свидетельство СССР М 620803, кл. 6 01 В 7/ОО, 1978.Авторское свидетельство СССР М 848966, кл, 6 01. В 5/02, 1979,(54) МЕХАНОТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении геометрических размеров, перемещений и эксплуатационных характеристик изделий машиностроения, Цель изобретения - повышение точности измерений перемещений и расширение функциональных воэможностей механотронного преобразователя линейных перемещений й электроламИз ной тех линейн пользо размер ных ха ния. обретени нике, а и ых перомвано при ов, пере ракте рис относится к измерительменно к преобразователям ещений, и может быть исизмерении геометрических ещений и эксплуатационик изделий машинострое - повышение точно щений и расширени жностей за счет реа ки преобраэовани в релейном виде. Цель изобретения сти измерения переме функциональных воэм лизации характерист как в аналоговом, так за счет реализации выходных характеристик преобразования как в аналоговом, так и в релейном виде. Преобразователь содержит два миниатюрных постоянных магнита, установленных соосно. Один магнит вмонтирован в торец штыря механотрона, а другой магнит смонтирован внутри измерительного штока с возможностью посорота в плоскости, перпендикулярной плоскости перемещения штыря механотрона, а также с воэможностью фиксации этого магнита в двух взаимно противоположных положениях, в которых его магнитная ось направлена вдоль продольной оси штыря механотрона. Штырь механотрона и измерительный шток выполнены из немагнитного материала, а направляющие в корпусе, в которых установлен измерительный шток, выполнены шариковыми, Для получения характеристики преобразования в релейном виде оба магнита обращены один к другому одноименными полюсами. 2 з.п.ф-лы, 4 ил,На фиг.1 приведена схематически конструкция механотронного преобразователя перемещений; на фиг,2 - схема взаимодействия постоянных магнитов; на фиг,3 - релейная характеристика преобразования; на фиг.4 - семейство выходных характеристик в аналоговом виде,Преобразователь содержит корпус 1, в котором установлен измерительный шток 2 с возможностью вертикального возвратно- поступательного движения по шариковым направляющим 3, К выступу корпуса 1 по 1816961средством цангового зажима, состоящегоиз цанги 4 и гайки 5, укреплен механотрон6 в кожухе 1 с возможностью смещения егоотносительно измерительного штока 2, благодаря наличию паза в выступе корпуса и 5шпонки 8 (см. разрез по АА), причем этосмещение фиксируется по шкале 9, нанесенной на выступе корпуса, Таким образом,по шкале 9 можно контролировать задаваемое значение зазора д между полюсами 10магнитов 20 и 21. Механотрон выполнен ввиде сдвоенного диода с общим неподвижным подогревным катодом 10 (подогреватель 11), одним неподвижным 12 и вторымподвижным 13 анодами. Неподвижныеэлектроды жестко соединены с вакуумированным баллоном механотрона, э его подвижный анод 13 со стержнем 14 впаян вмембрану 15, причем внешняя часть стержня 14 образует штырь 16 механотронэ, Мембрана 15 герметично соединенапосредством фланца 17 с баллоном механотрона, а электрический вывод электродовпоследнего осуществляется при помощипроходных электродов 18. Установке и крепление механотрона 6 в кожухе 7 производится с помощью уплотняющего кольца 19и приклейки фланца 17 к кожуху (например,эпоксидной смолой); В конец штыря 14вмонтирован первый миниатюрный посто- фянный магнит 20, взаимодействующий еовторым постоянным магнитом 21, смонтированном на поворотном валике 22, который установлен на скользящей посадкевнутри полости измерительного штока 2 с 35воэможностью вращения относительнопродольной оси штока. Для поворота валика22 служит ручка-указатель 23, э для фиксации его в двух диаметрально противоположных положениях использована сжатая 40пружина 24. Последняя размещена в гнездена рабочей части валика 22 и упирается свободным концом в шарик 25, который, попадая при вращении валика 22 в одно из двухспециальных углублений, расположенных 45диаметрально противоположно на внутренней поверхности штока 2, фиксирует положение валика в укаэанных положениях,.Шток 2 имеет измерительный наконечник26 с контактным шариком 27. Для облегчения сборки преобразователя его корпус 1снабжен двумя крышками - верхней 28 инижней 29, При этом валик 22 проходит через отверстие в верхней крышке 28, а измерительный шток 2 - через отверстие в 55нижней крышке 29, Для обеспечения возвратно-поступательных перемещений што-ка по стрелке М его верхний конец соединенс верхней крышкой посредством пружины30, которая при соосном расположении постоянных магнитов 20 и 21 находится в сред- несжатом состоянии. Для предотвращения ненужных поворотов штока 2 относительно продольной оси применена шпонка 31, расположенная в гнезде в нижней крышке и входящая своим концом в специальный паз, выполненный на внешней поверхности штока (см.разрез ББ). Для ограничения штыря 16 механотрона в пределах от его рабочего диапазона служат два упорных винта 32 и 33, установленных в выступе корпуса 1. Штырь 16, шток 2 и валик 22 выполнены изнемагнитного материала с целью исключения влияния этих деталей на магнитное взаимодействие магнитов 20 и 21. Электрическая схема включения механотронэ представляет собой измерительный четырехпвечий мост, два плеча которого образованы межэлектродными промежутками сдвоенного диода механотрона, а два других-энодными нагрузками Йя, в Одну из диагоналей включен выходной отсчетный прибор ИП, измеряющий выходной ток 1 вых при разбалансировке моста, а и другую диагональ - источник анодного напряжения Еэ. Напряжение накала подается на подогреватель 11 от источника питания Ен, Для плавной корректировки баланса моста может быть использован переменный резистор йоМеханотронный преобразователь работает следующим образом,Для реализации выходной характеристики в релейном виде с помощью ручки 23 поворачивается валик 22 на 180 таким образом, что обращенные друг к другу полюса магнитов 20 и 21 становятся одноименными (фиг.2). В этом случае на штырь механотронэ, снабженный магнитом 20, действует сила отталкивания второго магнита 21, укрепленного на валике 22 измерительного штока 2. Указанные магниты в сочетании с упругой мембраной механотрона образуют упруго-магнитную перекидную систему (УМПС). Процесс преобразования зависит от взаимодействия силы упругости мембраны Е и силы взаимного отталкивания магнитов Рот.Кэк указывалось выше, данный преобразователь для повышения надежности в работе снабжен двумя упорами 32 и 33, ограничивающими перемещение штыря 16 механотронэ. Эти упоры могут быть установлены также внутри баллона механотрона, т.е. выполнены, в виде внутренних ограничителей хода подвижного анода,"Прямой ход" ПХ - перемещение измерительного штока 2 вертикально вниз происходит от начального положения (фиг.2), в котором его магнит 21(положение магните21) находится в точке О, а штырь механотрона прижат силой Г 0 т к упору 32 (положение штыря А), При этом выходной ток механотрона 18 ых достигает значения Ьх (фиг,3). При перемещении измерительного штока на участке а 0 вплоть до точки 1 сила отталкивания магнитов Рот удерживает штырь механотрона на упоре 32, поэтому ток вцх на1всем участке сохраняет значение еэх . В момент достижения магнитом 21 положения И сила отменяет свое направление, и штырь совершает переброс из положения А в положение Б, где он прижимается к упору 33. При этом происходит так называемое прямое срабатывание УМПС и ток 18 ых достигает значения+1 м (фиг.З). При дальнейшем движении штока до точки(точки "конечного положения"), соответствующей положению И магнита 32 ток 1 вых сохраняет значение+1 вахПри обратном перемещении измерительного тока ("обратный ход") по стрелке ОХ - фиг.2 на отрезке пути от точки 1 до точки а сила Г прижимает штырь механотрона теперь уже к опору 33. Этот отрезок пути измерительного штока соответствует зоне нечувствительности механотрона а (фиг.З). В момент достижения точки а (положение 1 Ч магнита 21) сила Рот снова изменяет свое направление и перебрасывает штырь механотрона из положения Б в положение А, то есть происходит обратное срабатывание УМПС. Точка х=1 соответствует положению прямого срабатывания УМПС, к которому относится правая ветвь аб петли релейной характеристики абвг описанного механотрона, а точка х=а соответствует положению обратного срабатывания УМПС, к которому относится левая ветвь вг петли абвг релейной характеристики преобразователя. При этом рабочий диапазон перемещения штыря механотрона составляет примерно й 100 мкм, в то время как перемещение штока 2 может составлять + 1 - + 5 мм и более. Как показали экспериментальные исследования, в предложенной конструкции механотрона протяженность участков ао, где 1 вых = -1 щах,1и аэ.н., где вых - - щах, можно варьировать за счет изменения расстояния между магнитами 20 и 21, Например, при расстоянии между магнитами д -0,5 мм - а 0= 650 мкм и аэ.н. - 600 мкм, при расстоянии 02 = 1 мм . - а 0 -370 мкм и аз.н. =, 250 мкм, при расстоянии дз= 1,4 мм - а =300 мкм и а,н, - 100 мкм.5Указанные зависимости а 0 "1(б) и а,н, =т(б) позволяют при необходимости изменять и корректировать форму релейных характеристик преобразователя 1, =-1(х),Для реализации выходной характери, стики в аналоговом виде с помощью ручки 5 23 устанавливают валик 22 таким образом,что обращенные друг к другу полюса магнитов 20 и 21 становятся разноименными (фиг.1). В этом случае магниты притягиваются друг к другу, и в результате их взаимодей ствия при перемещениях измерительногоштока 2 относительно штыря механотрона появляется механическая сила, вызывающая поворот штыря 20 в направлении движения штока 2. Штырь 20, поворачиваясь, 15 изгибает мембрану 15 и отклоняет подвижной анод 13, межэлектродное расстояние катод-подвижный анод изменяется, что, в свою очередь, вызывает изменение тока подвижного анода и приводит к разбалансу 20 мостовой схемы (фиг.1), При этом выходнойсигнал механотрона - ток 1 вых, возникающий в измерительной диагонали моста и измеряемый выходным прибором ИП-пропорционален перемещению штока 2, 25 Чувствительность по току к перемещению описанного преобразователя зависит от силы сцепления между магнитами 20 и 21, Чем меньше расстояние д между полюсами этих магнитов, тем больше сила сцепления 30 и тем большей чувствительностью обладает преобразователь, и наоборот, при увеличении расстояния между указанными магнитами 20 и 21 чувствительность преобразователя уменьшается. Зависимости 35 (фиг.4) между перемещением аизмерительного штока 2 в (мкм), возникающего при контроле размеров или перемещений изделий и выходным токомвых механотрона в (мкА), показывают, что линейный участок ха рактеристики 1 х=1( а), соответствующейрабочему диапазону измерений механотрона 6 МХ 1 С, составляет +100 мкм, Кривые 2, 3 и 4, полученные для того же образца преобразователя, в штырь механотрона которого был вмонтирован магнит, 45 взаимодействующий со вторым магнитом,укрепленным на измерительном штоке 2 снимались при расстояниях между магнитами д 1 =0,5 мм(кривая 2),д 2 =1,5 мм(кривая 3) и дз= 3 мм(кривая 4). Как видно из кривых 50 2, 3 и 4, рабочий диапазон механотрона дляд 1 =0,5 мм составляет340 мкм, для д 2 =1,5 мм этот диапазон равен +600 мкм, а для дз = 3 мм - +1000 мкм, что соответственно в 3, 4, в 6 и в 10 раз превышает рабочий диапазон механотрона 6 МХ 1 С, конец штыря которого непосредственно контактировал с перемещающимся изделием (кривая 1).5 10 15 20 25 30 40 50 Таким образом, увеличивая расстояние д между магнитами 20 и 21, можно более чем в 10 раэ расширить диапазон измерений механотронного преобразователя перемещений, Следует отметить также, что благодаря отсутствию в преобразователе механически трущихся звеньев, погрешности преобразования, обусловленные трением, в нем отсутствуют. Это обеспечивает значительное(в 1;5-2 раза) снижение основной погрешности измерения. Возможность значительного расширения рабочего диапазона измерений в данном механотронном преобразователе обеспечивается эа счет того, что пара взаимодействующих магнитов в этом преобразователе является дополнительным звеном преобразования входного сигнала - перемещения контролируемого изделия в выходной электрический сигнал механотрона. Поскольку в процессе преоб-. разования сила упругости мембраны механотрона действует на его штырь в направлении, противоположном направлению упругой силы, воздействующей на этот штырь со стороны магнитов, то коэффициент преобразования мембранно-магнитного звена оказывается меньшим единицы ввиду снижения суммарной жесткости кинематической системы, Это означает, что чувствительность по току к перемещению предлагаемого преобразователя с магнитами будет меньше чувствительности механотрона, работающего на обычно принятом контактном принципе, В то же время рабочий диапазон преобразователя с магнитами будет всегда более широким по сравнению с диапазоном механотрона без указанной магнитной пары. Таким образом, данный преобразователь, в котором магниты расположены разноименными полюсами один к другому, может быть эффективно использован как широкодиапаэонный высокоточный преобразователь при измерении перемещений с погрешностью +1 ф,. Конст(уктивный вариант данного механотронного преобразователя с релейной характеристикой преобразования целесообразно использовать в коммутационных устройствах, в датчиках положения контролируемых объектов, в предельных (концевых) выключателях, применяемых для ограничения перемещений подвижных обьектов, и в дру гих устройствах автоматики. Применение механотрона с бесконтактным магнитным сцеплением штыря с измерительным штоком позволяет создавать надежные позиционные устройства, в которых обеспечивается высокая точность позиционирования при значительных перемещениях (ходах) контролируемого иэделия. Преобразователь обладает компактностью, универсальностью и простотой схемы включения, удобством в эксплуатации. Он может найти применение в различных устройствах измерительной техники, требующих от датчиков перемещений высокой точности в широком диапазоне измерений. Возможность получения у преобразователей релейной характеристики преобразования делает целесообразным и выгодным его использование в различных средствах автОматического контроля и регулирования.формула изобретения 1. Механотронный преобразователь линейных перемещений, содержащий полый цилиндрический корпус с направляющими, полый измерительный шток, установленный с возможностью перемещения в направляющих, а также прикрепленный к стенке корпуса механотрон с управляющим штырем, конец которого размещен в полости корпуса, отл ича ю щийси тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения функциональных возможностей за счет реализации характеристики преобразования как в аналоговой, так и в релейной форме, он снабжен двумя установленными: соосно постоянными магнитами, один иэ которых закреплен в торце штыря механотрона, а другой закреплен внутри измерительного штока с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной плоскости перемещения штыря механотрона, и фиксации этого магнита в двух взаимно противоположных положениях, в которых его магнитная ось совпадает с продольной осью штыря механотрона, шток и штырь механотрона выполнены из немагнитного материала, а направляющие в корпусе шариковыми.2. Преобразователь по п.1, от л и ч а ющ и й с я тем, что магниты обращены один к другому разноименными полюсами.3. Преобразователь по п,1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что магниты обращены один к другому одноименными полюсами,ектор Н,Гунько дакт оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 каз 1717 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5