Багатокоординатний вимірювач

Устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения координат точек твердого тела в пространстве, например, при модельных испытаниях больших гибких конструкций. Известно устройство (прототип) для измерения линейного ускорения по способу силового уравновешивания [1], содержащее установленный в корпусе карданов подвес с внутренней и наружной рамками, датчики углов, смонтированные по осям рамки, и спицу, закрепленную на внутренней рамке. Благодаря грузику, размещенному на спице, достигается смещение центра масс всего узла, размещенного на внутренней рамке, относительно оси вращения этой рамки, что позволяет измерять кажущиеся линейные ускорения и кажущиеся линейные скоростей по направлению оси вращения наружной рамки. Недостатком прототипа является невозможность измерения линейных перемещений. В основу изобретения поставлена задача создания многокоординатного измерителя, в котором обеспечивается замер линейных перемещений за счет втулки, одетой на спицу и монтируемой на подвижном объекте, такой многокоординатный измеритель может быть использован при модальных испытаниях больших гибких конструкций. Поставленная задача решается тем, что в устройство измерения линейного ускорения, содержащем установленный в корпусе карданов подвес с внутренней и наружной рамками, датчики углов, монтированные по осям рамок, и спицу, закрепленную на внутренней рамке, согласно изобретению, введена втулка, одетая на спицу и монтируемая на подвижном объекте. Для уменьшения ошибок измерения из-за наличия люфта между поверхностью втулки и спицы, а также для увеличения диапазона измерения координат, втулка установлена в трехстепенном шарнире. Для повышения точности измерения координат спица выполнена телескопической и снабжена датчиком линейных перемещений, установленным на неподвижной части спицы, а подвижная часть жестко соединена с втулкой, установленной в шарнире. Сущность предложения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена кинематическая схема 2 координатного измерителя линейных перемещений с втулкой, одетой на спицу и укрепленной на подвижном объекте, на фиг. 2 - кинематическая схема 2 - координатного измерителя линейных перемещений с втулкой, установленной в трехстепенном шарнире, а на фиг. 3 - кинематическая схема 3 - координатного измерителя линейных перемещений с телескопической спицей и датчиком линейных перемещений. Устройство выполнено следующим образом (фиг. 1). По осям наружной рамки 1 и внутренней рамки 2 карданова подвеса установлены датчики угла 3 и 4 соответственно. К внутренней рамке 2 прикреплена спица 5. Спица 5 входит в цилиндрическое отверстие втулка 6, которая прикреплена к подвижному объекту 7, линейные координаты которого необходимо измерять. На фиг. 1 показана правая неподвижная прямоугольная система координат xyz. В исходном состоянии оси х и у со впадают с осями наружной 1 и внутренней 2 рамок карданова подвеса, а ось z - с осью спицы 5. Устройство на фиг. 1 работает следующим образом. Перемещение объекта 7 вдоль оси z не изменяет положение рамок карданова подвеса, т.к. втулка 6 просто перемещается вдоль спицы 5. При перемещении объекта 7 по направлению оси у происходит поворот внешней (наружной) рамки 1 карданова подвеса вокруг оси х, на выходе датчика угла 3 появляется сигнал: U1 = K 1jн , (1) где Κ1 - коэффициент пропорциональности (крутизна), а j н - угол поворота наружной рамки 1 относительно оси х. Величина линейного перемещения с учетом направления вдоль оси у определяется из выражения: U y = - OA sin j н = - OA sin 1 , ( 2) K1 где ОА - расстояние от начала координат О до точки А объекта. Аналогично определяется величина линейного перемещения точки объекта при ее перемещении только вдоль оси х (только здесь будет знак плюс): U x = OA sin j в = OA sin 2 , (3 ) K2 где j в - угол поворота внутренней рамки 2 относительно оси у; U2 и К2 - вы ходной сигнал и крутизна датчика угла 4. В общем случае, когда точка А совершает одновременно сразу три линейных перемещения вдоль осей х, у и z, координаты х, у и z точки А в неподвижной системе координат xyz определяются из следующи х выражений: U x = OA sin jв = OA sin 2 ; ( 4) K2 U U y = - OA cos jв sin jн = - OA cos 2 sin 1 ; (5) K2 K1 U2 U1 z = OA cos jв sin j н = OA cos соs ; (6 ) K2 K1 Поскольку в данном устройстве расстояние ОА не измеряется и принимается равным ОАо (расстояние QA в исходном состоянии), а при перемещении точки А в пространстве величина ОА в действительности переменная, то устройство вносит малую инструментальную погрешность только при малых угла х поворота наружной 1 и внутренней 2 рамок карданова подвеса, когда относительное измерение расстояния ОА невелико по отношению к исходному состоянию ОАо (невелики координаты х и у). При увеличении расстояния на некоторую величину D при повороте только внутренней рамки: OA = OA o + D, (7) U2 U2 x = OA o sin + D sin . (8) K2 K2 За измеряемую величину принимается только первый член в правой части (8), а второй - инструментальная погрешность. Относительная ошибка инструментальной погрешности равна: U D sin 2 K2 D n= = , (9) U2 OA o + D (OA o + D )sin K2 т.е. при больших длинах спицы ОАо и малых D по сравнению с ОАо относительная ошибка будет невелика. U U В этом случае при малых угла х поворота наружной и внутренней рамок, когда можно считать sin 2 и sin 1 K2 K1 соответственно равными U2 K2 и U1 K1 , cos U2 K2 » 1и cos U1 K1 » 1, координаты х и у определяются с учетом (4) и (5) из простых выражений: U x = OA o 2 , (10) K2 U y = -OA o 1 . (11) K1 В устройстве, изображенном на фиг. 1, диаметр спицы 5 должен быть меньше, чем диаметр цилиндрического отверстия втулки 6, т.к. иначе при перемещениях точки А будет иметь место заклинивание. Большие перемещения требуют и большого зазора (люфта), который по существу является зоной неопределенности или ошибкой измерения. Для устранения этого недостатка втулка 6 устанавливается дополнительно в трехстепенном шарнире, как показано на фиг. 2, где 5 - спица, 6 - втулка с шаровой внешней поверхностью, 8 - обойма. Обойма 8 и втулка 6 с шаровой внешней поверхностью образуют тре хстепенной шаровой шарнир. При перемещениях объекта 7 как линейных, так и вращательных, заклинивания спицы 5 во втулке 6 уже не будет даже при малых зазорах между поверхностью спицы 5 и цилиндрической поверхностью втулки 6, т.к. ось втулки 6 будет самоустанавливаться вдоль оси спицы 5. Недостатком устройства с установкой втулки в трехстепенном шарнире является то, что при больших перемещениях, в частности, вдоль оси z, изменяется величина ОА, а неучет ее изменения, как было ранее показано, приводит к инструментальной ошибке. Для устранения этого недостатка, как показано на фиг. 3, спицу 5 выполняют телескопической и снабженной датчиком линейных перемещений 9, установленном на неподвижной части спицы 10, а подвижная часть спицы 11 жестко соединена с втулкой 6, установленной в шарнире. При наличии датчика линейных перемещений 9 определяется величина: U OA = OA o + 3 , (12 ) K3 где U3 и К3 - вы ходной сигнал и крутизна датчика линейных перемещений 9. В этом случае измеряются сразу три координаты х, у и z точки А объекта 7 согласно выражений соответственно (4), (5) и (6) с учетом (12).