Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор и анализ современного уровня развития угловых преобразователей и основных технологий производства прецизионных углоизмерительных структур 12
1.1 Современное состояние производства угловых преобразователей 12
1.2 Современный уровень технологий формирования прецизионных углоизмерительных структур 26
1.3 Выводы по первой главе 41
Глава 2 Исследование точностных параметров основных технологий, используемых для формирования прецизионных углоизмерительных структур, выработка единого критерия, позволяющего сравнивать качество технологий 43
2.1 Определение накопленной погрешности прецизионных углоизмерительных структур, изготовленных по различным технологиям...43
2.2 Универсальный критерий для сравнения качества технологий используемых для формирования прецизионных углоизмерительных структур 56
2.3 Оценка потенциальной точности датчиков угловых перемещений с лимбами, изготовленными по способу кругового сканирования 60
2.4 Выводы по второй главе 63
Глава 3 Анализ и исследование причин, приводящих к искажению круговой траектории движения записывающего луча по поверхности фоточувствительного слоя 64
3.1 Зависимость погрешности формирования углоизмерительных структур от искажений круговой траектории движения записывающего луча 64
3.1.1 Экспериментальные результаты, указывающие на зависимость погрешности формирования углоизмерительных структур от искажений круговой траектории движения записывающего луча 64
3.1.2 Анализ результатов формирования углоизмерительных структур от искажений круговой траектории движения записывающего луча 72
3.1.3 Связь искажений круговой траектории движения записывающего луча с паразитными движениями оси ротора шпинделя 76
3.2 Анализ действия внешних факторов на изменчивость траектории движения записывающего луча по поверхности фоточувствительного слоя . 81
3.2.1 Влияние дисбаланса ротора 82
3.2.2 Влияние несоосности оптической оси головки записи и оси вращения ротора шпинделя 94
3.3 Выводы по третьей главе 99
Глава 4 Повышение точности формирования прецизионных углоизмерительных структур, их экспериментальная проверка и использование 101
4.1 Повышение точности шпиндельного узла, устойчивого к различным дестабилизирующим факторам 101
4.2 Разработка и исследование прецизионного инкрементального углового преобразователя лазерного технологического комплекса CLWS-300 106
4.3 Изготовление улучшенного растра и его метрологическая аттестация... 111
4.4 Выводы по четвертой главе 115
Заключение 116
Список используемых источников 118
Приложение 130
- Современный уровень технологий формирования прецизионных углоизмерительных структур
- Универсальный критерий для сравнения качества технологий используемых для формирования прецизионных углоизмерительных структур
- Анализ действия внешних факторов на изменчивость траектории движения записывающего луча по поверхности фоточувствительного слоя
- Разработка и исследование прецизионного инкрементального углового преобразователя лазерного технологического комплекса CLWS-300
Введение к работе
Актуальность темы. Изготовление с высокой точностью оптических лимбов, круговых шкал, растров, многоразрядных кодовых дисков (основных метрологических элементов в дальнейшем называемых обобщённо -углоизмерительные структуры (УИС)) является важной технической задачей любого предприятия, выпускающего углоизмерительную аппаратуру, так как известно, что погрешности изготовления этих узлов вносят подавляющий вклад в общий баланс погрешностей данных приборов [1-6]. Как правило, в условиях промышленного производства процесс изготовления УИС состоит из двух стадий: изготовления эталонного образца углоизмерительной структуры и последующего его тиражирования с целью получения рабочих копий. Известно, что погрешности, внесённые на этапе изготовления эталона, на последующих этапах не корректируются, более того, последующие этапы только снижают точность изделий. Поэтому создание как можно более точных эталонных образцов является необходимой компонентой технологического процесса изготовления прецизионных углоизмерительных приборов.
Технологические процессы, наиболее часто применяемые в настоящее время для изготовления УИС, можно разделить на три группы: делительно-граверные, фототехнологические и лазерные.
Технологические процессы производства УИС на основе делительно-граверных машин имеют наиболее богатую историю, насчитывающую более сотни лет. Этот процесс характеризуется достаточно высокой стоимостью и низкой производительностью (например, требуется несколько недель для изготовления многоразрядного кодового диска или прецизионного растра с количеством штрихов более 8000). Более того, при увеличенном времени изготовления лимбов к концу цикла изготовления отмечалось снижение качества резцов, приводящее к заметному увеличению результирующей погрешности изделия [7,8]. Эти особенности стали резко тормозить процесс
5 широкого внедрения фотоэлектрических угловых преобразователей в различные отрасли промышленности.
По этой причине с середины прошлого столетия стали быстро развиваться более производительные технологии на основе фотопроцессов. К середине восьмидесятых годов прошлого века безусловным мировым лидером стала технология проекционной фотолитографии, созданная немецкой фирмой Heidenhain, широко известная под фирменным названием «технология Diadur». Многие фирмы во всём мире ставили перед собой задачу освоения данной технологии. Только в Европе, кроме фирмы-разработчика, эту технологию освоили фирмы: Carl Zeiss-Jena (ГДР), RSF (Австрия), Iskra (Югославия).
В 1988 году вышло постановление Совета Министров СССР № 1366, согласно которому ряду крупных предприятий и институтов было поручено оснастить станкоинструментальную промышленность страны прецизионными фотоэлектрическими угловыми преобразователями и, тем самым, решить проблему импортозамещения [9]. Решение этой проблемы шло по нескольким направлениям: Вильнюсский филиал ЭНИИМС'а - головное предприятие в Советском Союзе по выпуску угловых преобразователей, пытался повторить «Diadur-технологию». В Ленинградском институте точной механики и оптики (ЛИТМО) и Московском институте электронной техники (МИЭТ) под руководством д.т.н. проф. Л.Н. Преснухина велись работы по созданию на основе фототехнологических процессов специализированных делительных машин. В Санкт-Петербургском институте ядерной физики (ПИЯФ) под руководством д.т.н. проф. Б.Г. Турухано велись работы по созданию голографических установок.
Однако поставленная задача не была окончательно решена и до сих пор остается актуальной, так как ни одному из предприятий не удалось достичь уровня фирмы Heidenhain как по точности формирования углоизмерительных структур, так и по точности получаемых с их помощью угловых преобразователей.
К середине 90-х годов всё чётче стала проявляться тенденция замедления снижения погрешности формирования УИС, а, следовательно, и угловых преобразователей. В основном повышение точности преобразователей поддерживалось за счёт развития методов и средств компенсации систематических погрешностей, реализуемых с помощью соответствующих электронных блоков, благодаря быстрому развитию микроэлектроники.
В это же время в мире стали интенсивно разрабатывать альтернативные технологии формирования УИС на базе технологических комплексов -лазерных и электронно-лучевых [10-14]. В 1980-1985 гг. в Институте автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН был разработан первый лазерный технологический комплекс, работающий в полярных координатах на основе метода кругового сканирования. В 1990-1995 гг. в Конструкторско-технологическом институте научного приборостроения (КТИ НП) СО РАН совместно с ИАиЭ была разработана коммерческая модель лазерного технологического комплекса, получившая название CLWS-300. В настоящее время один из комплексов CLWS-300 успешно применяется для синтеза прецизионных УИС на Уральском оптико-механическом заводе (УОМЗ) в г. Екатеринбург. Его использование позволило в условиях промышленного производства реализовать изготовление УИС с погрешностью порядка (1 — 2)".
Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов и средств снижения погрешностей прецизионных углоизмерительных структур, изготавливаемых с использованием лазерных технологических комплексов.
Задачи исследований, определяемые целью диссертации:
1 Провести детальный обзор и анализ основных технологий формирования прецизионных УИС и оценить современный уровень производства угловых преобразователей.
Исследовать точностные параметры и выработать единый критерий оценки для сравнения метрологического качества основных технологий, используемых для изготовления прецизионных УИС.
Исследовать причины преобладания в спектре погрешности формируемых УИС второй гармоники.
Предложить новые методы повышения точности лазерного технологического комплекса CLWS-300, разработать и испытать шпиндельный узел, устойчивый к различным дестабилизирующим факторам при формировании УИС.
Изготовить и экспериментально получить метрологические характеристики УИС, сформированных на модернизированном лазерном технологическом комплексе CLWS-300.
Методы исследования: Результаты исследований, обсуждаемые в диссертации, получены путём теоретического анализа, расчёта конструкций основных узлов и физических экспериментов с созданными образцами
техники.
Научная новизна работы:
Предложено для оценки метрологических параметров технологий, применяемых при формировании прецизионных УИС, использовать специальный критерий, учитывающий одновременно и погрешность сформированной структуры и её размеры, названный фактором нестабильности.
Исследованы причины, приводящие к искажению траектории движения записывающего луча по поверхности фоточувствительного слоя из-за влияния дисбаланса ротора. Показано, что погрешности формирования УИС вызываются паразитными (прецессионными и нутационными) движениями оси ротора шпинделя, а не только качеством изготовления шпинделя в целом, как это считалось ранее. Предложены пути снижения погрешностей.
Показано, что в искажения траектории движения апекса несбалансированного ротора, вносит вклад анизотропия приведенных коэффициентов жесткости аэростатического подвеса.
Выявлено, что причиной долговременной нестабильности взаимного расположения оси вращения шпинделя и оси головки записи в лазерном технологическом комплексе CLWS-300 являются наличие внутренних источников тепла.
Впервые в отечественном приборостроении достигнуто снижение погрешности до уровня ±0,35". Для этого создан фотоэлектрический угловой преобразователь встраиваемого типа диаметром 180 мм. Указанное снижение достигнуто технологически, т.е. без использования методов электронной коррекции, которые могут стать дополнительным резервом снижения результирующей погрешности преобразователя.
На основе проведенных исследований разработан, создан и экспериментально исследован шпиндельный узел лазерного технологического комплекса CLWS-300. Используя модернизированный комплекс, впервые был сформирован прецизионный угловой растр диаметром 85 мм с погрешностью ±0,7".
Практическая значимость работы и результаты внедрения'.
На основе результатов исследований разработана и изготовлена партия модернизированных шпиндельных узлов для технологических комплексов типа CLWS-300:
шпиндельный узел со встроенным угловым преобразователем и уменьшенной нестабильностью взаимного расположения оси вращения шпинделя и оси головки записи. Данный узел позволяет формировать углоизмерительные структуры с погрешностью ±2". В настоящее время данный узел входит в состав технологических комплексов, эксплуатирующихся в Институте физики Академии космических технологий КНР и в НЛП «Геофизика-Космос» (г.
Москва);
шпиндельный узел со встроенным угловым преобразователем и
системой компенсации температурного дрейфа. Данный узел
позволяет формировать углоизмерительные структуры с
погрешностью ±1". В настоящее время узел входит в состав
технологического комплекса, эксплуатирующегося в ФГУП ПО УОМЗ
(г. Екатеринбург);
шпиндельный узел с уменьшенными искажениями траектории
движения верхнего торца вала вместе с закреплённым на нём объектом
относительно записывающей головки, со встроенным угловым
преобразователем и системой компенсации температурного дрейфа.
Данный узел позволяет формировать углоизмерительные структуры с
погрешностью ±0.7". В настоящее время узел входит в состав
технологического комплекса, эксплуатирующегося в КТИ НП СО
РАН.
На защиту выносятся:
Метод оценки точностных параметров технологий, применяемых для формирования прецизионных углоизмерительных структур, основанный на использовании фактора нестабильности, характеризующего максимальное отклонение центра синтезируемой структуры от идеального положения, относительно записывающего инструмента в пределах полного оборота;
Метод компенсации случайных искажений заданной траектории движения верхнего торца вала аэростатического шпинделя вместе с закреплённым на нём объектом;
Метод компенсации нестабильности взаимного расположения оси вращения шпинделя и оптической оси канала записи лазерного технологического комплекса CLWS-300;
Принцип построения шпиндельного узла лазерного технологического комплекса, работающего в полярных координатах с повышенной устойчивостью к действию различных дестабилизирующих факторов;
10 Апробация работы:
Основные положения данной диссертационной работы были представлены на шести международных конференциях и симпозиумах: Современные проблемы геодезии и оптики: Международная научно-техническая конференция, Новосибирск, 23-27 ноября, 1998, 10th IMEKO ТС7 Intern. Symposium on Advances of Measurement Science (AMS'04), June 30-July 2, 2004, Saint-Petersburg, Russia, 2-nd International Symposium Mechanical Measurements (ISMM-2004), Beijing, China, 2004, The 5th International Conference Measurement 2005, May 15 - 19, 2005, IMEKO TCI and 9th IMEKO TC13 Conference, (Bratislava), Slovakia, 11-ая Международная конференция "Автоматизация, управление и информационные технологии — ASIT-2005", одной всероссийской научно-практической конференции «Датчики и системы» (ДиС-2006), Москва, так же в 1 отчете о НИР.
Публикации:
Основное содержание работы изложено в 19 публикациях: 1 патенте (свидетельстве) РФ на полезную модель, 4 научных статьях вошедших в перечень изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией, 14 в научных сборниках и трудах российских и международных конференций.
Личный вклад автора:
Личный вклад автора заключается в выборе методов и средств решения задач диссертации и в их решении, а также в организации и непосредственном выполнении научных экспериментов и интерпретации полученных результатов.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 100 наименований. Содержание диссертации изложено на 129 страницах, содержит 68 рисунков и 9 таблиц.
Современный уровень технологий формирования прецизионных углоизмерительных структур
В основе делителъно-граверных процессов лежит метод нанесения штрихов режущим инструментом на поверхности заготовок или в защитных органических и металлических покрытиях с помощью делительных машин, сопутствующие обозначения на шкалах и лимбах в этих процессах наносят на специализированных копировально-фрезерных станках (пантографах). Этот процесс характеризуется достаточно высокой стоимостью и низкой производительностью (например, требуется несколько недель для изготовления многоразрядного кодового диска или прецизионного растра с количеством штрихов более 8000). Более того, при увеличенном времени изготовления лимбов к концу цикла изготовления отмечалось снижение качества резцов, приводящее к заметному увеличению результирующей погрешности изделия.
Делительные машины по функциональному назначению подразделяют на: круговые и специальные [7, 8]. Круговые делительные машины используются для создания лимбов, шкал и кодовых дисков, специальные - для нанесения кривых сложной формы и шкал с особым расположением штрихов.
Наибольшее распространение в граверно-делительном производстве получили машины моделей TKF-500, TKF-300, TKF-750 (цифра в названии модели указывает максимальный диаметр заготовки). Высокая точность нанесения делений обеспечивается тщательным изготовлением деталей и узлов. Так фирма Feinmess изготавливает машины модели TKF-500 в двух исполнениях: для нанесения делений с погрешностью ±1" и погрешностью ±0,6". Погрешность машин модели TKF-1000 может быть ± 1" или ±0,2" [37]. На рисунке 1.9 приведен общий вид круговой делительной машины.
Делительные машины, особенно прецизионные, устанавливают на индивидуальные виброзащитные фундаменты. Фототехнологические процессы изготовления УИС подразделяются на: фотографические, фотомеханические и фотолитографические [1].
Фототехнологические процессы позволяют изготовлять УИС со штрихами шириной до 1,25 мкм. Большинство фототехнологических процессов состоит из двух этапов: 1) изготовление фотошаблона (негатива); 2) получение самих шкал и лимбов фотографическим или фотолитографическим методами копирования изображения фотошаблона на светочувствительном слое, нанесенном на заготовки. Фотошаблоны получают граверно-делительными и фотографическими способами. Фотографические процессы позволяют получать в светочувствительном слое, нанесенном на подложку, амплитудное или амплитудно-фазовое изображение посредством комплекса операций, включающих экспонирование фотослоя, проявление и закрепление изображения.
При этом способе предварительно делают увеличенный чертеж маски. Затем путем фотографирования получают негативы, размеры которых соответствуют требуемым размерам кодированного диска. Негатив подвергают фототехнической обработке. Типовая угловая погрешность лимба составляет значение порядка 10 .
В настоящее время фотографический процесс изготовления УИС практически не находит применения.
Фотомеханические процессы основаны на экспонировании световым лучом градаций на светочувствительной эмульсии с использованием прецизионных делительных устройств. Главным образом эти устройства были разработаны для производства многоразрядных кодовых дисков. Следует отметить, что при фотомеханическом процессе подачу поворотного стола, на котором закреплена заготовка со светочувствительным слоем, можно осуществлять как дискретно, так и непрерывно.
Оценивая фотомеханический процесс, можно указать на его следующие достоинства: достаточно высокие разрешающая способность, обусловленная малой шириной экспонирующего луча (до нескольких микрон) и точность, которая в основном определяется точностью поворотного устройства.
Основными недостатками процесса можно считать такие, как сложность и нестандартность оборудования, потребность в специальных эмульсиях и, в некоторой степени, сложность процесса подготовки и обработки чувствительных слоев.
Фотомеханический процесс изготовления кодированных дисков имеет в основном две разновидности: секторальный (однооборотный) и поразрядный (многооборотный) способы. Секторальный фотомеханический процесс. При секторальном фотомеханическом процессе специальным световым проекционным устройством формируется клиновидный сектор кодовой маски одновременно по всем разрядам, который экспонируется на светочувствительный слой заготовки при периодической остановке вращения стола машины. Кодированный диск изготавливается за один оборот стола машины. Эталонный образец тринадцатиразрядного кодированного диска изготавливается на этой машине приблизительно за 21 час.
Секторальный процесс позволяет изготавливать кодированные диски за более короткое время по сравнению с делительными машинами. Однако в машине, реализующей это процесс, необходима четкая фиксация краев секторов на светочувствительном слое заготовки.
Универсальный критерий для сравнения качества технологий используемых для формирования прецизионных углоизмерительных структур
Общепринято использовать для сравнения точности измерительных приборов относительную или абсолютную погрешность. В случае угловых приборов, для которых предел измерений чаще всего постоянный и равен 360, нагляднее использовать абсолютные значения погрешности: либо доли градуса, либо доли угловой минуты, а для высокоточных приборов - доли угловой секунды [61, 62]. Но в случае с технологическими комплексами, с помощью которых изготавливаются главные узлы преобразователей: растры и лимбы это вызывает трудности, так как уже давно замечено, что на одном и том же оборудовании лимбы малого диаметра всегда изготавливаются с большей угловой погрешностью, чем лимбы большого диаметра. По этой причине все высокоточные угловые преобразователи имеют большой диаметр. Но при этом возникает проблема сравнения точностных параметров технологий.
Как уже указывалось ранее, изучая данные Таблицы 2.1, где представлены точностные и габаритные размеры датчиков фирмы Renishaw, обращает на себя внимание обратно пропорциональная зависимость угловой погрешности датчиков от их размеров. Всё указывает на существенный вклад аддитивной компоненты, в конечном счёте, определяющей погрешность датчиков.
В [63, 64] нами было предложено оценивать технологии формирования УИС с помощью так называемого фактора нестабильности F (учитывающего одновременно и накопленную погрешность синтеза структуры, и её размеры). Под этим параметром предложено понимать линейную величину, характеризующую максимальное отклонение центра синтезируемой структуры от идеального положения, относительно записывающего инструмента в пределах полного оборота. Значение данного фактора для структур диаметром D можно получить с помощью простого пересчёта измеренной угловой погрешности растра Лср: где значение D задано в миллиметрах, Лср и N = 1296000 - в угловых секундах. Пересчёт данных, произведённый нами для каждого датчика фирмы Renishaw из Таблицы 2.1, приведён в последнем столбце Таблицы 2.2.
Малый разброс значений этого фактора относительно его среднего значения (Аср = 0,502 ± 0,007, т.е. всего ±1,3 %) говорит о подавляющем влиянии этого фактора на точность формирования углоизмерительных структур. Анализ технологических процессов показывает, что наиболее вероятной причиной, порождающей подобный дестабилизирующий фактор, может быть нестабильность положения центра формируемой структуры относительно записывающего инструмента в пределах полного оборота в установках применяемых для синтеза прецизионных УИС. Причём этот дрейф явно не случайный, т.к. воспроизводится в изделиях регулярно и с малым разбросом.
Проанализируем с этой точки зрения технологические возможности основных производителей углоизмерительной продукции (таблица 2.3).
Из приведенных данных можно сделать следующие выводы. Бывшее головное предприятие Советского Союза по разработке и производству угловых преобразователей ЭНИМС, а сейчас Brown& Sharp - Precizika, за двадцать лет серьезно не повысила точность своей технологической установки), оборудование характеризуется неопределённостью положения оси вращения шпинделя поворотного стола данной установки порядка ±1,0 мкм) и, как минимум, более чем в три раза уступает современным лидерам в этой области, например, фирмы Heidenhain (Германия) (неопределённость оси вращения шпинделя составляет ±0,293 мкм). То же самое в полной мере относится и установке УРАЛ-ГОИ, которая более чем в три раза (F = ±0,8 мкм) хуже установки фирмы Heidenhain. Уже первый коммерческий вариант установки CLWS-300, выпущенный в 1995 году, имеет (/ = ±0,463 мкм), что почти в два раза превосходил параметры установки ЭНИМС-а, но и почти в два раза уступал мировому уровню. Технологическая установка фирмы СКБ ИС (F = ±0,399 мкм) имеет двухкратный запас по точности по сравнению с Brown&Sharp-Precizika, что позволяет ей производить достаточно конкурентноспособную продукцию, однако, все же заметно уступает фирме Heidenhain. Делительные машины типа TKF-100 (F = ±0,350 мкм) имеют неплохие показатели по точности, однако, как было указано во введении, им присущ существенный недостаток — увеличение накопленной погрешности при создании изделий с большим временем изготовления. Лазерные технологические комплексы CLWS-300 (УОМЗ) (F = ±0,218 мкм) и фирмы Sony (F = ±0,191 мкм) имеют небольшой запас по точности по сравнению с технологическим комплексом фирмы Heidenhain. И, наконец, лидером, согласно этой таблице, бесспорно, является фирма Tamagawa Seiki Со (Япония) (F = ±0,109 мкм). Именно благодаря этой установке, впервые в мире был сформирован угловой растр с погрешностью ±0,3", на основе которого был создан уникальный 30-разрядный преобразователь абсолютного типа, имеющий погрешность ±0,2".
В настоящее время, при производстве высокоточных фотоэлектрических датчиков угловых перемещений, наилучшие результаты (см. Таблицу 1.1) получила немецкая фирма Heidenhain, которая использует технологию Diadur.
В то же время, на основе данных, полученных специалистами фирмы Sony, УОМЗ-а и КТИ НП, было показано, что растры, созданные по технологии растрового сканирования имеют в два-три раза меньшее значение фактора нестабильности F. Однако до последнего времени ни в России, ни в Японии не были выпущено готовых образцов угловых преобразователей, использующих в своей основе растры, изготовленные по данной технологии. Для восполнения этого недостатка, на первом этапе работ в рамках данной диссертации была выполнена компьютерная эмуляция углового преобразователя, построенного на базе растра, синтезированного на установке CLWS-300 Уральского оптико-механического завода (УОМЗ) [65, 66]. Собственная погрешность растра, диаметром 180 мм, синтезированного на этой установке CLWS-300, не превышает ±1" (рисунок 2.12,а).
Анализ действия внешних факторов на изменчивость траектории движения записывающего луча по поверхности фоточувствительного слоя
В предыдущем разделе главы отмечалось, что одной из наиболее вероятных причин проявления изменчивости траектории движения луча лазера является произвольное движение оси ротора шпинделя. Одной из причин этого явления может быть действие дисбаланса центра масс ротора относительно его оси вращения. Однако эта причина не является единственно возможной. Влияние внешних факторов на изменчивость траектории следа взаимодействия излучения на поверхности фоточувствительного слоя достаточно многообразно: это и действие несоосности оптической оси канала записи и оси вращения ротора и аналогичное действие неперпендикулярности оптической оси канала записи относительно поверхности фоточувствительного слоя.
Анализ действия внешних факторов на изменчивость траектории следа взаимодействия излучения на поверхности фоточувствительного слоя в лазерном технологическом комплексе, работающем в полярной системе координат, целесообразно выполнить для рабочих скоростей вращения, лежащих в диапазоне от 0 до 10 — 15 об/с, и реального шпиндельного узла комплекса CLWS-300, что нами и было сделано [75-83].
Данный узел собран на основе аэростатического шпинделя, изготовленного на заводе «Красный пролетарий» (г. Москва). Планшайба шпинделя имеет специальные средства для выставления поверхности фоточувствительного слоя строго ортогонально относительно оси вращения ротора. Поэтому в дальнейшем будем считать, что плоскость фоточувствительного слоя, в котором производится запись, ориентирована строго перпендикулярно относительно оси вращения ротора (рисунок 3.14).
Эти опоры состоят из двух торцевых фланцев большого диаметра, имеющих по одной плоской рабочей поверхности, которые сопрягаются с цилиндрической рабочей поверхностью меньшего диаметра. Для такой кинематической схемы аэростатического шпинделя характерна более высокая жёсткость опор в торцевом и радиальном направлениях и существенно меньшая жёсткость для угловых нагрузок. Так для анализируемого шпинделя жёсткость в торцевом (осевом) направлении равна 26,6 кг/мкм, угловом- 4,4 кг/мкм (параметр получен при условии приложения силы перпендикулярно оси вращения в нерабочей плоскости верхнего фланца). Многие исследователи считают, что для указанных выше скоростей вращения и значений жёсткости аэростатических опор, ротор шпинделя можно считать абсолютно жёстким, а опоры - гибкими [85-89].
Характер искажений траектории следа существенно зависит от положения центра масс ротора шпиндельного узла. В идеальном случае, когда центр масс ротора М совмещён с центром симметрии аэростатических опор (рисунок 3.16,а), луч лазера оставляет след в виде идеальной окружности (рисунок 3.16,6) при любой ориентации оси относительно вертикали.
Далее рассмотрим случай, когда центр масс ротора имеет радиальное смещение е (эксцентриситет) относительно осевой линии ротора, но он по-прежнему остаётся лежать в плоскости центра симметрии опор (рисунок 3.17).
Для аэростатических подшипников можно принять, что для малых отклонений от исходного состояния они имеют одинаковые показатели упругости (жёсткости) к0 во всех направлениях, но величина смещения центра масс несбалансированного ротора z зависит не только от показателя жёсткости к0 самого аэростатического подвеса, но и от податливости системы крепления подшипника. А в этом случае приходится говорить о приведённых коэффициентах жёсткости: где \lki - податливость опоры для выбранного направления. Т.е. приходится принимать во внимание анизотропию коэффициента жёсткости (т.е. кх ку) гибких опор, к которым, по существу, и относится аэростатический подвес. Тезис о том, что в исследуемой системе имеется анизотропия коэффициентов жёсткости (кх ку), был экспериментально установлен автором в ходе работ по балансировке шпинделя лазерного комплекса CLWS-300(yOM3) [54]. Результаты экспериментов по измерению реакции гранитной плиты на возмущающее воздействие закреплённого на ней шпинделя при частоте вращения 3 об/с приведены на рисунке 3.18. Для проведения измерений использовался двухосевой инклинометр NS-5/P2 фирмы HL-Planartechnik GmbH (Германия). Данное устройство позволяет измерять у голы наклона в двух взаимноперпендикулярных направлениях в диапозоне ±5 с погрешностью ±0,01 и разрешающей способностью - 0,0005.
Разработка и исследование прецизионного инкрементального углового преобразователя лазерного технологического комплекса CLWS-300
Результаты измерений наклонов гранитной плиты в пространстве, как вынужденной реакции последней на возмущающее воздействие смонтированного на ней шпинделя, представлены на фазовой плоскости. Для равных по величине коэффициентов податливости системы закрепления шпинделя в пространстве её годограф на фазовой плоскости должен быть окружностью. Однако по обеим осям экспериментально установлено отличие в реакциях как по абсолютной величине (эллиптичность годографа), так и по фазе (наклон эллипса при точной 90 ориентации датчиков инклинометра говорит о запаздывании по фазе в реакциях опор гранитной плиты). При вращении ротора с угловой скоростью а центробежная сила инерции ротора может быть представлена как: В соответствии с уравнениями (3.18) траектория движения центра вращения ротора представляет собой эллипс, а каноническое уравнение будет выглядить следующим образом: В результате каждая точка носителя совершает поступательное и вращательное движение относительно нового центра, смещённого на величину z относительно исходной оси ротора. При малых значениях показателя анизотропии приведённой жёсткости подшипника лазерный след на фоточувствительном слое по отношению к оси ротора будет представлять собой окружность со смещённым центром. Кроме того, при 2кху &Мсо2 , будут наблюдаться резонансные явления. След, оставляемый лазерным излучением на поверхности фоточувствительного слоя, формируется сложным движением поверхности фоточувствительного слоя, обусловленного поступательным и вращательным движением центра масс ротора. При таком движении на оси ротора должна быть точка, не совершающая колебаний - центр колебаний. А в целом ось ротора описывает коническую поверхность. Расстояние от центра масс до вершины конуса L0 можно определить как: Таким образом, след на поверхности фоточувствительного слоя представляет собой сечение конической поверхности плоскостью, наклонённой под углом а к оси вращения (рисунок 3.19). Такое сечение представляет собой эллипс.
Ситуация также изменится, если в исходном состоянии ось вращения ротора будет отклонена от строго вертикального направления. Для упрощения анализа примем, что ось в исходном состоянии отклонена на угол уо в плоскости 0XS. Теперь уже нельзя утверждать, что движение оси ротора будет определяться действием только одной центробежной силы Fi(co). В исследуемой ситуации по координате X появляется, по крайней мере, ещё одна сила F2(y,g) - весовая компонента, вклад которой зависит от массы ротора и угла наклона оси вращения. Более того, для гибких подвесов эта компонента даже в статическом режиме при наличии дисбаланса центра масс ротора е влияет на положение оси ротора по обеим координатам, и её вклад зависит от углового положения ротора относительно начала координат: Наклон оси ротора на угол уо приведёт к смещению оси на хо относительно начала координат. Выражения для весовой компоненты в возмущающем воздействии на ротор в виду малости углов отклонения можно переписать в форме: Характер движения оси под действием данной компоненты можно описать системой уравнений, аналогичной (3.24) Таким образом, и в этом случае (т.е. при наличии наклона оси и её поворотах со сверх малой угловой скоростью, когда нет необходимости принимать во внимание действие центробежной силы) ось ротора совершает дополнительное движение по эллипсу. Анализ движения оси ротора под действием двух сил (весовой компоненты и центробежной) приводит к аналогичному результату с несколько увеличенными диапазонами хода оси по обеим координатам и увеличенными углами наклона оси.
Принципиальное изменение в результат анализа даёт учёт гироскопических составляющих в уравнениях движения оси. Если движение оси ротора под действием двух указанных выше составляющих называют прецессией ротора, то дополнительное движение оси ротора под действием гироскопической составляющей (или её ещё называют кориолисовой силы) называют нутацией. Направление действия этой составляющей определяется текущим произведением векторов момента инерции и угловой скорости [91]. Суммарное действие прецессии и нутации приводит к сложным, петлеобразным траекториям движения оси ротора, на которые обращали особое внимание в [72]. Сходная задача анализа траектории движения верхнего конца (апекса) абсолютно жёсткого вращающего ротора при наличии дисбаланса центра масс ротора решалась в [92] в предположении изотропности гибких опор. В этой работе были получены выражения, описывающие траекторию движения верхнего конца вала (апекса) ротора
