Аспекты конструирования универсального углозадающего поворотного стола для целей приборостроения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Филиал ФГУП «НПЦ АП имени академика Н.А. Пилюгина» - «ПО «Корпус»

Аспекты конструирования универсального углозадающего поворотного стола для целей приборостроения

И.В. СЛИСТИН, Н.А. КАЛДЫМОВ

В приборостроении, в метрологии, в науке и технике, используются поворотные столы, обеспечивающие изменение угловой ориентации изготавливаемых изделий, приборов, инструментов или исследуемых объектов. Одним из примеров использования поворотных столов служит использование его при регулировании, испытаниях и контроле измерителей линейного ускорения, с переустановкой прибора на разные углы наклона к вертикали с целью изменения величины и знака проекции вектора на ось чувствительности прибора. Таким путем можно проводить проверку качества сборки или характеристик маятниковых акселерометров. Другим примером является использование поворотных столов в производстве высокоточных полноповоротных позиционных преобразователей угла - регулирование, испытания и аттестация которых проводятся с программным заданием множества угловых положений ротора преобразователя. При испытаниях габаритных приборов, таких как гирокомпас, проводят проверки с заданием точных угловых положений в горизонтальной плоскости с помощью прецизионных поворотных столов. Применение поворотных столов необходимо на предприятиях приборостроения, точного машиностроения и для контроля метрологического угломерного оборудования, используемого в производстве.

Современный поворотный стол должен быть ориентирован на возможность многоцелевого применения, комплексироваться с другими измерительными приборами, осуществлять программное задание углов, автоматические измерения, обработку и сохранение результатов испытаний. Основополагающими элементами поворотного стола - это наличие высокоточного датчика угла и автоматического привода с микропроцессорным управлением.

Высокоточные поворотные столы относятся к категории сложного, дорогостоящего оборудования. Оборудование такого класса (с погрешностями изменения угла не превышающими ±1") уникально и разрабатывается либо для оснащения метрологических центров, либо создается под конкретную задачу и по разным причинам не может использоваться для всего многообразия задач пользователя.

ФГУП «НПЦАП им. академика Н.А. Пилюгина» в силу специфики производства, выпускает большую номенклатуру изделий, требующих при производстве проверок с точным заданием и измерением угловых положений как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях, это и акселерометры, и полноповоротные индуктивные датчики угла (вращающиеся трансформаторы, редуктосины), гирокомпасы, а также в службе главного метролога имеется большая номенклатура стандартных углоизмерительных приборов (теодолитов, наклономеров, нивелиров, уровней и т. п.). В связи с ростом выпускаемой продукции потребность в автоматизированных рабочих местах также растет, поэтому появилась необходимость создания собственного прецизионного углозадающего поворотного стола, которым можно оснастить в должном количестве рабочие места предприятия.

Цифровой поворотный стол СПЦ-383 включает в себя электромеханическую часть - поворотный стол СП-382 и электронный блок управления БУ-226. Углы поворота в цифровом поворотном столе СПЦ-383 могут быть заданы в ручном или в автоматическом режиме, для измерения используется оптический угловой энкодер фирмы Renishaw (Великобритания) [1]. Повороты осуществляются с помощью автоматического привода с микропроцессорным управлением. В блоке управления БУ-226 установлены программируемый контроллер, обеспечивающий прием и обработку информации с углового энкодера и управление в реальном масштабе времени автоматическим приводом. Также в БУ-226 применен центральный процессорный модуль (одноплатный компьютер), предназначенный для вывода полученных результатов на графический дисплей, обработки информации по сложным алгоритмам и для управления работой поворотного стола по командам оператора или программным путем. поворотный стол измеритель прибор

В результате разработки достигнута точность автоматического задания угловых положений не хуже ±1? при последующем измерении фактического значения заданных углов с погрешностью в пределах ±0,35?. Цифровой поворотный стол обладает рядом преимуществ - это задание как горизонтальных, так и вертикальных углов, имеет большую нагрузочную способность (до 50 кг), обеспечивает возможность автоматических испытаний самых разных приборов и метрологического оборудования, он технологичен в изготовлении и имеет сравнительно невысокую стоимость. Цифровой поворотный стол СПЦ-383 аттестован как средство измерений [2].

Точность на уровне рабочего эталона плоского угла при невысокой стоимости и обеспечении широкого диапазона возможного применения достигнута в поворотном столе СП-382 совокупностью схемных решений, направленных на максимальное упрощение конструкции. Так, в конструкции поворотного стола применяются червячный редуктор, выполненный без предъявления жестких требований к величине люфтов и точности угла разворота, и шаговый двигатель с бесшумной (зубчатой ременной) передачей на входной вал червячного привода. При этом точность задания углов в поворотном столе определяется использованием обратной связи в цифровом регуляторе, управляющем работой автоматического привода, и специальными алгоритмами управления. Для возможности обеспечения широкого диапазона скоростей вращения вала двигателя, что необходимо для реализации указанных алгоритмов, разработан электронный коммутатор, осуществляющий переключение обмоток шагового двигателя по командам программируемого контроллера.

В поворотном столе СП-382 применено хорошо зарекомендовавшее себя конструктивное исполнение направляющей вращения стола, выходным валом которой является шпиндель, установленный во втулках подшипников скольжения. Опора вала в подшипниках скольжения обладает развитой площадью контакта с втулкой, что обеспечивает большие значения жесткости опоры и нагрузочную способность стола. Применение подшипников скольжения исключает недостатки, которые могли бы проявляться в случае выбора шарикоподшипников в качестве опор. Так как стол рассчитан на установку разных изделий, включая изделия большой массы (до 50 кг), в случае использования шарикоподшипников, происходит деформация тел качения в зависимости от нагрузки, а также накатывание дорожек в подшипнике, приводящие к увеличению биений направляющей вращения с течением времени [3].

В конструкции стола применен электромагнитный зажим, обеспечивающий точную фиксацию шпинделя по завершению разворота. Для прикрепления изделий пользователя предусмотрено коническое отверстие в шпинделе с конусом Морзе 4. Под проверяемое изделие может быть изготовлен как отдельный конус, так конус с планшайбой, обработанные в сборе с крепежными отверстиями. Для испытаний полноповоротных индукционных датчиков угла в конструкции стола предусмотрена возможность прикрепления статорных частей к жесткому основанию, которое одновременно является крышкой узла конструкции, а приспособление с ротором датчика выставляется на планшайбе. В поворотном столе СП-382 отсутствуют механизмы изменения ориентации оси направляющей вращения стола (шпинделя), но возможность задания вертикальных и горизонтальных плоских углов достигается переустановкой поворотного стола на другую опорную плоскость корпуса.

Таким образом, оправдавшим себя подходом к разработке электромеханического блока прецизионного поворотного стола, доступного для решения многих задач, является использование в его конструкции не дефицитных, легко воспроизводимых и не дорогостоящих частей и устройств, при условии учета погрешностей, вносимых несовершенствами этих устройств в результаты задания и измерения углов. Аналогичный подход проявлен при разработке электронного блока управления БУ-226 цифрового поворотного стола.

Угловой энкодер обеспечивает точность угловых измерений на уровне эталона плоского угла. Но погрешность его показаний в устройстве пользователя зависит от конструкции устройства. Причем существует два вида погрешностей, во-первых, погрешность позиционирования, то есть отклонение достигнутого углового положения после осуществления поворота стола от необходимого значения, находящееся в пределах ±1?, во-вторых, погрешность измерения фактически достигнутого значения угла, которая находится в пределах ±0,35?.

Подшипники скольжения, в которых установлен шпиндель, обеспечивающие большую нагрузочную способность поворотного стола СП-382, создают значительный момент сопротивления вращению. Для его преодоления применен двухступенчатый червячный редуктор с большим передаточным числом (1800), а двигатель выбран, исходя из максимально возможного значения момента сопротивления и с учетом необходимости осуществления достаточно быстрых поворотов. Рассмотрев различные типы двигателей, мы остановились на использовании шагового двигателя, так как он при достаточно малых габаритах имеет большой момент, простую схему и алгоритм управления. При осуществлении автоматического поворота шаговый привод по командам блока управления БУ-226 производит максимально быстрый разворот стола на угол, который несколько меньше (на 30?), чем необходимое значение угла, на который должен быть повернут стол. Затем согласно алгоритму автоматического поворота производится снижение скорости вращения вала двигателя путем уменьшения величины шагов. Вследствие этого, а также сглаживающих эффектов в упругой зубчатой ременной передаче, вращение шпинделя становится медленным и равномерным. В этом режиме момент сопротивления определяется градиентом скорости в тонком слое смазки, разделяющем втулки и вал подшипников скольжения, уравнение движения шпинделя имеет вид:

м • б? = М или б? = М/ м,

где м - коэффициент момента скоростного трения,

б? - скорость вращения шпинделя,

М - вращающий момент привода.

Угловой энкодер выдает информацию о текущем значении угла, которая поступает в блок управления БУ-226. По достижению значения угла, близкого к необходимому, программируемый контроллер останавливает привод. При этом имеется некоторое отличие от необходимого значения угла - ошибка выставки угла. Затем производится включение электромагнитного зажима. При его срабатывании угол может измениться на величину, соизмеримую с ошибкой выставки, то есть будет внесена дополнительная ошибка - ошибка фиксации стола. В результате возникает суммарная ошибка - погрешность позиционирования, которая находится в пределах ±1? (см. рисунок 1).

Рисунок 1 Угловые ошибки при задании угла

Отличие показаний углового энкодера после срабатывания электромагнитного зажима от истинного значения угла является погрешностью измеренного угла. Основные составляющие этой погрешности показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 Угловые ошибки при измерении угла

Оптический угловой энкодер представляет собой высокоточное угломерное устройство с цифровым выходом, шкала которого представляет собой множество тонких рисок, нанесенных лучом лазера на расстоянии 20 мкм друг от друга по окружности внешней цилиндрической поверхности стального масштабного кольца (всего 31488 рисок на кольце диаметром 200 мм). Считывающие головки углового энкодера выставляются перед закреплением по специальной программе [4]. Минимально достаточно одной считывающей головки.

Одним из основных требований по применению углового энкодера является обеспечение центрального положения масштабного кольца. Эксцентриситет масштабного кольца приводит к первой гармонике разложения угловой ошибки в ряд Фурье. Амплитуда первой гармоники является ошибкой выставки эксцентриситета, которая показана на рисунке 3, как составляющая погрешности измеренного угла [5].

При использовании одной считывающей головки эксцентриситет масштабного кольца способен приводить к значительной угловой ошибке.

Рисунок 3 Влияние эксцентриситета на угловую ошибку считывающей головки (О - центр шкалы, О₁ - ось поворота шкалы, А - считывающая головка, - эксцентриситет, R - радиус масштабной шкалы )

При повороте на угол ц₁ будет отсчитан угол, меньший угла 180° (угла р):

.

При повороте на угол ц₂ будет отсчитан угол, больший 180° (угла р):

.

Амплитуда погрешности из-за эксцентриситета, равного 1мкм, составляет:

Таким образом, наблюдается сильная зависимость угловой ошибки от эксцентриситета в случае установки только одной считывающей головки. В связи с этим устанавливаются две считывающие головки на одном диаметре масштабного кольца, показания которых взаимно компенсируют наличие эксцентриситета. Для проверки влияния эксцентриситета при двух считывающих головках проведен эксперимент, в котором выставлялись повышенные значения эксцентриситета. По результатам эксперимента построен график:

Рисунок 4 Экспериментальная зависимость ошибки от эксцентриситета, полученная для углового энкодера при двух считывающих головках

Экспериментальная зависимость имеет вид прямой пропорциональной зависимости. Численное значение коэффициента пропорциональной зависимости составляет:

К₂=0,014…''/мкм.

В результате применения двух, установленных диаметрально, считывающих головок влияния эксцентриситета ослабляется в n-число раз:

раз,

В поворотном столе СП-382 предусмотрены средства и разработана методика точной выставки эксцентриситета (рисунок 5). В результате ошибка при выставке эксцентриситета в назначенный допуск, приводит к погрешности измеренного угла, не более 0,05?.

Рисунок 5 Экспериментальные данные выставки эксцентриситета

Также имеется составляющая погрешности измеренного угла, вызываемая деформациями масштабного кольца при установке углового энкодера в поворотный стол. Изменение формы кольца может быть представлено в виде:

,

где R - радиус шкалы на текущем угле б поворота шкалы,

и - амплитуда и фаза первой гармоники эксцентриситета, допущенного в устройстве пользователя,

a_i - амплитуда i-ой гармоники изменения формы (i=2, 3 …),

- фаза i-ой гармоники ( i=2, 3 …).

Рисунок 6 характеризует деформации кольца под действием усилий затяжки 12 винтов крепления.

а) б)

а) все винты затянуты равномерно; б) винты правой стороны кольца затянуты со значительно меньшим усилием.

Рисунок 6 Характер деформаций кольца под действием усилий затяжки винтов

На рисунке 7 показан результат компьютерного моделирования деформаций, выполненного в программе T-Flex CAD10.

Рисунок 7 Схема нагружений кольца REXM20USA200 усилием затяжки винтов

Согласно рисунку 7 деформация имеет величину около 0,05 мкм. Если винты затянуты равномерно это приводит к угловой ошибке 0,02?, повторяющейся 12 раз за оборот кольца. При чрезмерной затяжке винтов можно получить большую величину угловой ошибки, во избежание этого усилие затяжки винтов нормировано.

При разработке поворотного стола СП-382 большое внимание уделено снижению температурных ошибок. Материал фланца масштабного кольца подобран по коэффициенту линейного теплового расширения по отношению к материалу масштабного кольца - с точностью 0,3·10^-6 °С^-1 (более точный подбор материалов затруднителен). Изменения температуры при проведении измерений находятся в пределах ±1°С, при этом взаимное перемещение фланца и кольца на диаметре прикрепительных отверстий кольца может достигать 0,1мкм. Так как реально имеется некоторая неравномерность затяжки винтов, в пределах допуска, возникает неравножесткость конструкции прикрепления масштабного кольца, и при изменении температуры возникает деформация, например, овальность шкалы, то есть масштабное кольцо имеет не одинаковое тепловое расширение по двум взаимно перпендикулярным направлениям. Это приводит к угловой ошибке, как составляющая погрешности измеренного угла от изменения температуры. Как показывают расчеты, величина температурных ошибок в поворотном столе СП-382 не превышает 0,05?.

Необходимо обеспечить высокую стабильность взаимного положения всех частей конструкции, влияющих на показания углового энкодера.

Предположим, масштабное кольцо неподвижно, но произошло случайное смещение считывающей головки во время измерений на малую величину 0,02мкм, что эквивалентно смещению масштабного кольца на одну тысячную часть расстояния между двумя соседними штрихами шкалы. Это приведет к угловой ошибке, из-за нестабильности крепления считывающих головок, величина которой может достигать 0,04?. Поэтому в поворотном столе СП-382 большое внимание уделено жесткому прикреплению считывающих головок углового энкодера.

Особое значение имеет стабильность (неподвижность) пространственного положения оси, относительно которой осуществляются повороты стола. Подшипники скольжения, которые обеспечивают большую нагрузочную способность поворотного стола СП-382, относятся к классу опор, в которых должен существовать зазор между втулкой и валом. Минимизация зазоров обеспечивается мерами конструктивно-технологического характера. Для проверки эффективности принимаемых мер были исследованы люфты в подшипниках поворотного стола. Люфт выявлялся путем приложения к шпинделю радиальных нагрузок разного знака и измерения перемещений шпинделя, оставшихся после снятия нагрузки (рисунок 8).

Рисунок 8 Экспериментальное исследование радиальной нестабильности оси

На рисунке 9 приведены графики нагружений. Нижний график построен для нагрузок до 130 Н (?13 кГ), которые соответствуют максимально возможной величине радиальной силы, прикладываемой в червячной передаче к шпинделю СП-382.

Согласно этому графику приложение радиальных сил ±130 Н приводит к перемещению шпинделя на величину ±1 мкм, после снятия нагрузки положение оси шпинделя восстанавливается. Оставшаяся в результате цикла нагружений величина перемещения, имеющая характер люфта, находится в пределах ±0,1 мкм, что достаточно мало. Малость (практически отсутствие) люфта позволило осуществить точную выставку эксцентриситета масштабного кольца.

Рисунок 9 Экспериментальное исследование радиальной нестабильности оси

Биение и эксцентриситет масштабного кольца определены по результатам контроля изменений радиального положения контролируемых точек цилиндрической поверхности масштабного кольца в процессе его поворотов. При этом каждый из радиусов 1, 2, 3 … 12 выставлялся поочередно по оси чувствительности измерителей перемещения и осуществлялся замер для этого радиуса индикатором и емкостным датчиком. В результате многократных измерений - при поворотах кольца в различных направлениях - установлено, что повторяемость результатов на каждом радиусе - не хуже 0,3 мкм, что свидетельствует о качественном состоянии направляющей вращения поворотного стола (подшипников СП-382). Ошибка обусловленная нестабильностью радиального положения оси поворотов пренебрежимо мала (не более 0,014'').

В результате разработки достигнута точность автоматического задания угловых положений не хуже ±1? при последующем измерении фактического значения заданных углов с погрешностью в пределах ±0,35?. Цифровой поворотный стол обеспечивает задание как горизонтальных, так и вертикальных углов и имеет большую нагрузочную способность (до 50 кг). Это обеспечивает возможность автоматических испытаний самых разных приборов и метрологического оборудования. Поворотный стол имеет сравнительно невысокую стоимость, технологичен в изготовлении, прошел метрологическую аттестацию во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева 2014 г. и зарегистрирован в Государственном реестре средств измерения №56458-14.

Литература

1. Бесконтактные датчики L-9517-9160-07-A / www.renishaw.ru, 2008.

2. Приказ Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 12 февраля 2014г. №106.

3. Прецизионный полноповоротный углозадающий стол для испытаний элементов инерциальных приборов / Ермаков, Р.В., Н.А.Калдымов, С.Ф.Нахов, А.В.Полушкин, И.В.Слистин, С.Н.Шацков, В.Ф.Васильев// ХХ Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2013. С. 119-123.

4. Signum REXM ultra-high accuracy angle encoder system/ www.renishaw.ru, 2009.

5. К вопросу о точности угловых энкодеров L-9517-9205-01-A / www.renishaw.ru, 2005.

6. Справочник конструктора точного машиностроения. Под ред. Ф.Л. Литвина. М.-Л., Изд ”Машиностроение”, 1964.

7. Аникст Д.А., Константинович К.М., Меськин И.В. и др. Высокоточные угловые измерения / Под ред. Ю.Г. Якушенкова. М.: Машиностроение, 1987.

Размещено на Allbest.ru