Устройство для задания положения объекта в пространстве

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскинСоциапистическинРеспублик(22) Заявлено 28.01.81 (21) 3240638/18-10с присоединением заявки Эй(51)М, Кл. 6 01 С 9/12 Г 66 уАврстеаеый комнтет СССР 66 делам нэабретеннй н опрытнй(72) Авторы изобретени Е. И. Новиков, И. П. Поляков и В. К. Ст Заявитель 54) УСТРОИСТВО ДЛЯ ЗАДАНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА В ПРОСТРАНСТВЕ 1Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для задания положения объекта относительно местной или базовой вертикали.5Известно устройство для определения углов наклона объектов, содержащее корпус, лазер, одно зеркало которого подвешено на маятнике, светоприемник, вход которого подключен к системе измерения 16 разности перемещения маятника при наклонном и горизонтальном полон;ении объекта, причем колебательная система маятника связана с блоком возбуждения колебаний, а система измерения разности 15 полупериодов колебаний маятника выполнена в виде реверсивного счетчика 11 .Недостатком указанного устройства является сложность конструкции, отсут- , , ствие задатчика угла, сложность юстиров-.20 ки и необходимость коррекции нуля, поскольку ошибка со временем накапливается. Кроме того, указанное устройство имеет ограниченный срок службы, определяемый ресурсом лазера, трудность метрологической аттестации, а также жесткие требования к окружающим условиям (температура, вибрация, давление и т.п.)Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для задания углового положения объекта, содержащее маятник, подвешенный на опоре, платформу, демпфер-стабилизатор, установленный на основании, измеритель, углового положения и перемещатель 21.Недостатком этого устройства является возможность задания угла строго в одной плоскости и погрешность, обусловленная существенными температурными деформациями плеч маятника.Цель изобретения - повышение точности задания пространственного положения объекта.Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит платформу для размещения испытуемого объекта, уста,новленную с помощью упоров на основаОЬ 346 д 50 55 ии, поворотные механизмы и измерители углового положения платформы, блок управления, индикаторы направления перемещения, поворотные механизмы выполнены в виде электрических двигателей с фиксирующимися роторами и эксцентриков и связаны кинематически с платформой в трех точках, причем блок управленкя электрически соединен с каждым из двигателей, с измерителями углового положения и индикаторами направления перемещения; по крайней мерв один из поворотных механизмов установлен на упоре с помощью упругих элементов;поворотные механизмы выполнены в виде пьезоэлектрических двигателей с фиксирующимися роторами; поворотные механизмы сочленены с платформой в трех точках, отстоящих друг от друга через угол 120 .На фиг, 1 и фиг. 2 приведена конструктивная схема устройства; на фиг. 3- поворотный механизм, установленный на упоре с помощью упругих элементов, общий вид.Устройство содержит фундамент 1, юстировочные опоры 2, основание 3, упоры 4, вертикальный паз 5, упругие элементы 6, поворотные механизмы 7, ( (7, 7, фиксирующиеся роторы 8, платформа для размещения испытуемого объекта 9, ползуны 10, эксцентриковыв цапфы 11, хвостовики 12, шейки 13, сферические головки 14, индикаторы 15 направления эксцентриситета, сферические гнезда 16, 16, 16 ф, испытуемый объект 17, измерители угла 18, 18, блок1 19 управления, каналы 20 управлвния и измерения, тврмогерметичный кожух 21, базовую ось ОО местная вертикаль), продольную ось ИМ , поперечную ось ИМ На фундаменте 1 с помощью юстировочных опор 2 установлено основание 3, на котором укреплены упоры 4. На каж дом упоре 4, имеющем вертикальный паз ,5 (фиг. 3), посредством шарниров 6 установлен соответствующий поворотный механизм 7, 7, и 7 с фиксирующимися роторами 8. Поворотные механизмы 7, 7 и 7" кинематически связаны с упорами 4 й платформой 9 с помощью ползунов 10 и эксцентриковых цапф 11, включающих хвостовик 12, шейку 13 и сферическую головку 14. Хвостовики 12 скреплены с соответствующими фиксирующимися роторами 8 и снабжены индикаторами направления эксцентриси 4тета 15. Шейки 13 подвижно сочлененыс ползунами 10, которые вложены в вертикальные пазы 5 упоров 4. Сферическиеголовки 13 вставлены в сферические гнезда 16, 16 и 16, которые сочлененыс торцами платформы 9, причем сферическое гнездо 16 - неподвижно, а сферические гнезда 16 и 16 - подвижны(и подпружинены.1 О На платформе 9 располагается испытуемый объект 17 и измерители угла 18и 18.На основании 3 установлен блок 19управления, который через каналы 2015 упраВления и измерения электрическисвязан с поворотными механизмами 7,7 и 7(, индикаторами 15 направленияэксцентриситета и измерителями 18, 18угла.Ус тройсгво закрывается термогерметичным кожухом 21 для уменьшения влияния окружающей среды и стабилизациитемпературы.Работа устройства основана на преобразовании поворота эксцентриковойцапфы 11, кинематически связанной сплатформой 9, в угловое отклонениеплоскости последней. Кинематическоевзаимодействие всех элементов преобразования при непрерывной подаче управляющего сигнала происходит в следующей взаимосвязи,При подаче электрического сигнала,на поворотный механизм 7 его ротор 8и неподвижно сочлененная с ним эксцен 35триковая цапфа 11 совершают вращательное движение, при этом эксцентриковая цапфа 11 своей шейкой 13 эасчет эксцентриситета е перемещает пол 40зун 10 в вертикальном пазу 5 упора 4и, опираясь на него, придает качательное движение поворотному, механизму .вокруг оси шарнира 6, а ее сферическаяголовка 14, имеющая одну ось с шейкой13, совершая вертикальное перемещение,через сферическое гнездо 16 наклоняетплатформу 9 вокруг оси, проходящей через сферические головки 14, эксцентриковых цапф 11, сочлененных с поворотными механизмами 7 и 7 С помощью поворота двух (из имеющихся трех) эксцентриковых цапф 11 обеспечивается независимое задание плат форме 9 углового отклонения по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Перед началом работы платформы 9приводится в исходное положение, длячего выполняются следующие операции.Эксцентриковые цапфы 11 устанавливаются относительно основания 3 в нулевов положение, при котором каждый индикатор направления эксцентриситета 15 показывает нулевое положение эксцентриситета в плоскости, параллельной плос. кости основания 3. Затем основание 3 с помощью юстировочных опор 2 выставляется в горизонтальное положение и фиксируется.Положение платформы 9 контролируется с помощью измерителей 18 угла (вУплоскости ОММ ) и 18 (в плоскости О Н Н ), После выставки горизонтального положения платформы 9 устройство готово к работе.Требуемый угол в заданной плоскости ОММ (или О ЙЙ ) задается вручную или посредством подачи от блока 19 управления на поворотный механизм 7 (7 , 7 ) электрического сигнала.НПри необходимости отклонения платформы 9 в плоскости ОММ на угол Ь от блока 19 управления на поворотный механизм 7 подают калиброванный электрический сигнал, например 0 фиксируемых импульсов (равной амплитуды) положительной полярности. Электрический сигнал вызывает отклонение ротора 8 поворотного механизма 7, который поворачивает эксцентриковую цапфу. 1 1 в положительном направлении (по часовой стрелке) на заданный угол сС, что вызы вает отклонение платформы 9 относительно ее горизонтального положения на угол А (Величина угла Аизмеряется с помощью измерителя 18 угла, значение которого по каналам 20 передается на блок 19 управления, где измеренная величина сравйивается с требуемым значением.Вращение эксцентриковой цапфы 11 можно производить вручную или с помощью реверсивного пьезоэлектрического двигателя.После установки заданного угла и выполнения измерений с объектом 17, платформа 9 возвращается в исходное положение посредством подачи от блока 19 управления электрического сигнала ( П импульсор) отрицательной полярности. Электрический сигнал отрицательной полярности вызывает реверсивное (против часовой стрелки) вращение ротора 8 поворотного механизма 7 и соответственно эксцентриковой цапфы 11, с помощью которой платформа 9 возвращается в исходное (горизонтальное) положение. Измере 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 йие угла наклона платформы 9 производится с помощью измерителя 18 угла.Для задания отрицательного угла ЬЧот блока 19 управления (или вручную)подается отрицательный электрическийсигнал аналогично описанному, но в противоположном направлении (против часовой стрелки). Возвращение платформы 9в исходное положение осуществляется подачей положительного электрического сигнала и импульсов также аналогично описанному.Для наклона платформы 9 на угол Ь Щв плоскости О НМ от блока 19 управления подается электрический сигнал ( Лимпульсов) положительной полярности наповоротный механизм 7, который поворачивает эксцентриковую цапфу 11 почасовой стрелке на угол О, платформа9 при этом наклоняется на угол ЬЩ.Измерение угла в плоскости О 8 Йпроизводится с помощью измерителя угла18, показания которого по каналу 20 подаются на блок 19 управления, где сравниваются значения требуемого угла( ЮЗаА. ) и измеренного ( Ь ч д ),После выпоЛнения измерений платформа 9 возвращается в исходное горизонтальное положение посредством подачиэлектрического сигнала отрицательной полярности ( и импульсов отрицательной полярности). Исходное положение измеряется с помощью измерителя 18 угла,)айалогично задается и возвращается висходное положение угол (- ЬЦ) с помощью подачи на поворотный механизм7 отрицательного электрического сигнала.Для задания углов Ьи Ь одновременно в двух плоскостях (ОММ н Ойй )работа производится аналогично описанному, но при условии одновременной подачиэлектрических сигналов на два поворотньи механизма 7 и 7. Возвращениеплатформы 9 в исходное положение производится одновременной (или разновременной) подачей отрицательного электрического сигнала на поворотные механизмы 7 и 7 . Измерение и сравнение ре(зультатов измерения и задания угловогоположения производятся одновременнопо двум направлениям,Устройство можно использовать какстабилизированную в пространстве платформу.Работа в этом случае производитсяследующим образом.Платформа 9 выставляется в исходное, например горизонтальное, положение.7Измерители 18 и 18 угла работают как нуль-органы, т.е. при отклонении угла от исходного положения выдают электрические сигналы рассогласования на блок 19 управления. Блок 19 управления, сравнивая измеренные и запрограммированные сигналы, выдает управляющие электрические сигналы, подаваемые на поворотные механизмы 7 и 7, которые совместно с эксцентриковыми цапфами 11 работают как исполнительные механизмы, поддерживая платформу 9 в заданном, например горизонтальном, положении.Величина максимально возможного отклонения платформы 9 от исходного положения определяется ее размерами и удвоенной величиной эксцентриситета цапф 11.Возможность получения максимальной разре 1 дающей способности устройства, например для определения порога чувствительности перспективных угловых датчиков, достигается применением электрической редукции при подаче электрических сигналов, отличающихся между собой по частоте на все три поворотных механизма 7, 7 и 7 ц одновременно.Для получения сверхмалых углов наклона платформы 9 в плоскости ОММ следует подать одновременно электри ческие сигналы на поворотный механизм 7 с частотой, например 1000 Гц, а наН поворотные механизмы 7 и 7 одновременно с частотой 1001 Гц, или наоборот. При этом платформа 9 получит вертикальное перемещение с одновременным отклонением эксцентриситета е, размеров платформы 9 и коэффициента электрической редукции.Устройство может быть использовано для задания испытуемому объекту 17 динамического режима - угловой прокачки по углу в одном или двух плоскостях (СММ и ОНИ).Работа устройства происходит в этом случае аналогично описанному, но изменение угла непрерывно с заданной угловой скоростью, определяемой программой, заложенной в блоке. 19 управления. В описанной конструкции устройства шарниры 6, соединяющие поворотные ме ханизмы 7, 7, 7 с соответствующи/ //ми упорами 4, могут быть выполнены в виде упругих элементов, как это показано на фиг. 3. В качестве упругих элементов могут быть применены, например, 083480 5 1 О 15 20 жает металлоемкость и стоимость изгоо изобретения25 ,30 35 40 45 стержни из специального медного сплава, обладающего сверхупругими свойствами. Применение упругих элементов упрощает конструкцию и снижает стоимость изготовления устройства.Устройство по сравнению с известными обладает точностью задания углового положения испытуемого объекта за счет применения эксцентриковых цапф, обеспечивающих плавное перемещение, высокую точность, повторяемость и разрешающую способность преобразования поворота в угол отклонения платформы; обеспечивает возможность задания углового положения платформе по двум взаимно перпендикулярным плоскостям за счет использования эксцентриковых цапф с фиксирующими роторами; обеспечивает сравнительно небольшие габариты и вес; снитовления за счет исключения кардановыхподвесов и промежуточных поворотных рам; обеспечивает стабильную устойчивость в заданных положениях при динамических нагрузках за счет использования цапф с фикснрующимися роторами.Устройство для задания положения объекта в пространстве имеет следующие параметры: дискретность задания угла не менее 110 дуг.с; погрешность задаваемого угла не менее 1 к 10 дуг. с.Кроме того, устройство обладает возможностью одновременного задания углов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях; возможностью метрологический аттестации; малой температурой погрешностью; отсутствием гистерезиса; возможностью дистационного управления; возможностью задания углов по программе; возможностью задания динамичесческого режима; возможностью установки устройства в любом положенйи в пространстве; возможностью использования в качестве стабилизированной платформы пространственного положения. Формула11. Устройство для задания положения , сбъекта в пространстве, содержащее платформу цля размещения испытуемого объекта, установленную с помощью упоров на основании, поворотные механизмы и измерители углового положения платфор- мы, о т л и ч а ю .щ е е с я тем;.что с пулью повышения точности задания пространственного положения объекта, в него введены блок управления, индикаторы .направления перемещения поворотныемеханизмы выполнены в виде электрическихдвигателей с фиксирующимися роторамии эксцентриков и связаны кинематическис платформой в тех точках, причем блокуправления электрически соединен с каждым из двигателей, с измерителями углового положения и индикаторами направления перемещения. 2. Устройство по п, 1, о т л и ч аю щ е ес я .тем, что в нем по крайней мере один из поворотных механизмов установлен на упоре с помощью упругих элементов.3. Устройство по п. 1, о т л и ч а - ю щ е е с я тем, что поворотные меЙИЗ 480 10ханизмы выполнены в виде пьезоэлектрических двигателей с фиксирующимисяроторами.4. Устройство по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что в немповоротные механизмы сочленены с платформой в трех точках, отстоящих однаоот другой через угол 120 .Источники информации,1 о принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРМ 528448, кл.01 С 9/12,12. 03.7 3.2; Авторское свидетельство СССР1 М 678285, кл. (3 01 С 9/12,21 06 77 (прототип).аз 6261/68 Тираж 614 ВНИИПИ Государственного комитет по делам изобретений и открыт 113035,Москва, Ж, Раушская