Радиальный планиметр

 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения площадей фигур произвольного очертания. Радиальный планиметр содержит поворотный столик, обводной рычаг с продольным пазом посередине, размещенный на рычаге счетный механизм с обкатным роликом, а также визир на конце обводного рычага. Обводной рычаг выполнен раздвижным и состоит из двух частей. На невыдвижной части размещен обкатной ролик с возможностью возвратно-поступательного перемещения и взаимодействия с фрикционным диском. На второй половине невыдвижной части размещен узел трансформирования радиальных линейных перемещений обводного штифта, размещенного на выдвижной части рычага, в величины, пропорциональные квадрату этих расстояний. Узел содержит эксцентрик, посаженный на вал с возможностью вращения до одного оборота в результате перемещения обводного рычага. На поворотном столике дополнительно установлен фрикционный диск, который посредством планетарной передачи имеет кинематическую связь с шестерней на кольце невыдвижной части рычага. Наружная кромка эксцентрика определяется расчетной формулой и при совершении эксцентриком поворота перемещает обкатной ролик по радиусу фрикционного диска, меняя передаточное число. Техническим результатом изобретения является повышение производительности и точности измерения. 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технике измерений и предназначено для определения площадей фигур произвольного очертания.

Известен полярный планиметр Амслера, содержащий полюсной и обводной рычаги, а также счетный механизм с обкатным роликом и визир. При обводке контура визиром полюсной рычаг поворачивается вокруг точки полюса, а обкатный ролик, ось вращения которого параллельна оси обводного рычага, перекатывается по плоскости чертежа, приводя в движение счетный механизм. Разница отсчетов, снятых после обводки и до нее, дает площадь участка в делениях планиметра (А. С. Чеботарев. Геодезия, М., Издательство геодезической литературы, 1965 г., с. 292-300) [1].

Недостатком известного планиметра можно считать то, что при пользовании им тратится значительное время на подбор такой точки для размещения полюса, при которой обкатный ролик не будет сползать с плоскости плана. Кроме того, при работе с этим планиметром недопустимо делать слишком острые или тупые углы между рычагами, следует также избегать рывков при обводке, а еще этим планиметром практически невозможно работать на глянцевой поверхности фотоплана.

В качестве прототипа принят радиальный интегриметр, используемый для обработки дисковых диаграмм, в том числе для интегрирования величин, записанных в полярных координатах. Прибор содержит поворотный столик, в центре которого установлен штифт, обводной рычаг с продольным пазом, размещенный на рычаге счетный механизм с обкатным роликом и визир. При обработке диаграмм визир обводят вдоль записанной кривой. Паз рычага скользит по неподвижному штифту. В результате такого движения угол поворота ролика вокруг оси, отсчитываемый счетным механизмом, оказывается пропорциональным произведению расстояния между визиром и штифтом на угол рычага (В. М. Плотников, В. А. Подрешетников, А. Н. Тетеревятников. Интегрирующие измерительные приборы, М., "Машиностроение", 1997 г., с. 127) [2].

Недостатком интергриметра является то, что им нельзя определять площади фигур на плане. Показания счетчика в нем фиксируют длину линии контура круговой диаграммы. По ней можно определить среднее арифметическое значение записанной на диаграмме функции. Однако для того, чтобы показания счетчика были пропорциональны площади обведенного контура, требуется обеспечить прокручивание ролика пропорционально квадрату меняющегося при обводке радиуса рычага.

Целью изобретения является расширение диапазона применения прибора на область вычисления площадей, а также повышение производительности труда и точности результатов измерения.

Достигается это тем, что обводной рычаг выполнен раздвижным, состоящим из двух частей. Первая его часть невыдвижная, установлена она на периферийном кольце поворотного столика с возможностью вращения и содержит большую шестерню, обращенную зубьями внутрь кольца. Вторая часть рычага - выдвижная, размещена она с возможностью продольного перемещения в направляющих, нанесенных на наружных частях стенок второй части. На верхней плоскости выдвижной части рычага закреплена зубчатая рейка.

Обкатный ролик дополнительно снабжен роликом контактирования и посажен на вал с возможностью вращения и возвратно-поступательного перемещения вдоль радиуса фрикционного диска. Поворотный столик выполнен сложным и включает корпус, на верхней части которого размещены с возможностью вращения фрикционный диск, а также три шестерни одинаковых диаметров, образующие вместе с большой шестерней на кольце для крепления первой части рычага планетарную передачу, причем центральная малая шестерня посажена на вал фрикционного диска. В устройство дополнительно введен механизм радиального перемещения обкатного ролика со скоростью пропорциональной квадрату линейно изменяемого радиуса обводного рычага. Он включает вал, установленный на невыдвижной части рычага - с возможностью вращения, жестко посаженные на валу шестерню и эксцентрик, линия наружной кромки которого определяется зависимостью ρ = кΦ²+c, где k - коэффициент; Φ - угол в радианах; c - постоянное слагаемое.

Выполнение обводного рычага раздвижным, состоящим из двух частей, позволяет на одной - невыдвижной части - разместить механизм трансформирования линейных радиальных перемещений, совершаемых при работе второй - выдвижной частью рычага, в величины, пропорциональные квадрату тех же расстояний. Так, при радиальном перемещении визира зубчатая рейка, что на выдвижной части рычага, будет прокручивать круглую шестерню, жестко закрепленную на одном валу с эксцентриком. Прокручивание эксцентрика обеспечивает радиальное перемещение обкатного ролика, притом со скоростью, пропорциональной квадрату величины радиального перемещения визира. Это означает, что при полной обводке замкнутого контура суммарный оборот обкатного ролика зафиксирует величину, пропорциональную площади участка.

В предложенном решении обкатной ролик перекатывается не на поверхности плана, а только по поверхности фрикционного диска с однородной матовой поверхностью. Поэтому здесь не надо тратить время на отыскание подходящей точки для размещения полюса планиметра, при котором ролик не сходил бы с плана, не надо остерегаться образования слишком тупых или острых углов между рычагами (как у полярных планиметров). Предложенный планиметр может работать и на глянцевой поверхности фотоплана с выдачей результатов высокой точности, потому что его ролик перекатывается по однородной матовой поверхности, а еще он может быть достаточно хорошо подпружинен и выполнен с заостренной кромкой.

Использование планетарной передачи для прокручивания фрикционного диска обеспечивает радикальное повышение точности результатов измерения. Так, при повороте обводного рычага на угол β в одну сторону, фрикционный диск вращается на 3β в обратную сторону. Это позволяет в четыре раза увеличить масштаб измерений, а значит, и точность получаемых результатов.

На фиг. 1 изображен предлагаемый планиметр, вид сверху; на фиг. 2 дан продольный разрез прибора; на фиг. 3 показан общий вид в аксонометрии; на фиг. 4 представлен эксцентрик; на фиг. 5 представлена площадь для измерения.

Планиметр содержит поворотный столик 1, включающий корпус 2, где размещены с возможностью вращения первая - невыдвижная часть обводного рычага 3, фрикционный диск 4, шестерни планетарной передачи 5, что на валу фрикционного диска, и 6 - сателлиты.

Первая - невыдвижная часть рычага на одной своей половине содержит обкатной ролик 7, который снабжен роликом - контактирования 8, и посажен на вал 9 с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющих 10. В процессе работы обкатной ролик взаимодействует с фрикционным диском 4. На второй половине невыдвижной части рычага размещены механизм трансформирования величин линейного перемещения обводного рычага в величины, пропорциональные их квадрату. Он включает вал 11, установленный с возможностью вращения, жестко укрепленные на нем эксцентрик 12, содержащий на периферийной кромке грань с заострением для взаимодействия с роликом контактирования 8, а также шестерню 13, состоящую в зацеплении с зубчатой рейкой 14, что размещена на поверхности выдвижной части рычага 15. Вторая - выдвижная часть рычага 15 размещена на корпусе первой 3 с возможностью перемещения в направляющих 16. На конце рычага установлены штифт 17 для обводки контура, а также рукоятка 18. На приборе установлен также счетчик 19, фиксирующий оборот ролика 7.

Работает планиметр следующим образом.

Сначала устанавливают прибор на плане так, чтобы перемещение рычага достигало границ рабочего контура. На самом контуре фиксируют точку, совмещают с ней острие обводного штифта 17, а затем снимают со счетчика отсчет. Далее производят обводку контура путем перемещения штифта 17 по всей линии, обозначающей границу участка, а по окончании - снова берут показания на счетчике. Разница отсчетов, снятых после обводки и до нее, дает площадь участка в делениях ролика.

В период радиального перемещения обводного рычага меняется точка контактирования фрикционов, а с ней изменяется передаточное число. При повороте рычага по азимуту происходит перекатывание обкатного ролика, а длина пройденного им пути будет пропорциональна площади участка.

В качестве примера конкретного выполнения предложенного планиметра предположим, что при радиальном перемещении обводного штифта на 150 мм зубчатая рейка, установленная на выдвижной части рычага, прокрутит шестерню, жестко установленную на одном валу с эксцентриком, на один оборот.

Пусть у рассматриваемого эксцентрика максимальная величина радиуса (ρ_max) будет 70 мм, а постоянное слагаемое c - 20 мм. Величины радиусов для разных углов поворота, определенные по формуле ρ = кΦ²+c, приведены в таблице.

Коэффициент K определяется по формуле .

Эксцентрик с приведенными в таблице параметрами может перемещать обкатный ролик по радиусу от нуля (центр диска) до 50 мм.

В реальности из-за того, что у полюса размещается поворотный столик, будут смещены от центра к периферии штырь обводного рычага, например, на 50 мм, а обкатный ролик на r = kΦ²=1,266 • 4,215 = 5,76 мм (перемещение рычага в 50 мм обеспечивает поворот эксцентрика на 0,33 оборота, т.е. на угол Φ = 2,073 радиана).

Пусть измеряется площадь обозначенного на фиг. 5 контура. Штырь обводного рычага находиться в точке "А", удаленной от центра диска на 60 мм. Обкатный ролик в это время будет находится в точке "а", удаленной от центра фрикционного диска на r = kΦ²=1,266 • 2,513² = 8 мм.

Перемещаем по контору обводной штырь в точку "B", удаленную от центра фрикционного диска на 150 мм. Обкатный ролик в это время переместится в точку "в", удаленную от центра диска на 50 мм (r = kΦ²=1,266 • 6,2832² = 50,00).

Прокручивания обкатного ролика в период перемещения обводного штыря с точки "А" в точку "B" не будет.

При перемещении штыря в точку "С" обкатный ролик, перекатываясь к точке "с", пройдет путь по дуге длиною 1 = Φ = 50 • 1 = 50 мм. Эта величина численно равна удвоенной площади сектора obc (S = 0,5 Φr = 0,5 • 1 • 50 = 25). Площадь сектора на плане OBC будет S = 0,5ΦR²=0,5 • 1 • 150² = 11250 мм².

В период перемещения обводного рычага с точки "C" в точку "D" прокручивания обкатного ролика не произойдет, а при перемещении с точки "D" в точку "А" обкатный ролик будет перемещаться по дуге радиуса 8 мм, причем прокручивание будет идти в обратную сторону. Площадь малого сектора oda составит S = 0,5Φr = 0,5 • 1,0 • 8 = 4 мм. Площадь сектора ODA составит S = 0,5ΦR²= 0,5•1,0•60²= 1800 мм².

В обоих случаях площади секторов, определенных отрезками дуг перемещения обкатного ролика, будут пропорциональны величинам, полученным обычным геометрическим путем (11250 : 25 = 450; 1800 : 4 = 450).

Площадь контура ABCD составит (25 - 4) • 450 = 9450 мм².

В действительности же в представленном приборе суммарная длина дуг будет в четыре раза больше и эти линейные величины трансформируются в обороты обкатного ролика, что и фиксирует накопительный счетчик.

Значимость предложенного решения нами видится в том, что - это первая разработка радиального планиметра, способного работать с любыми планами (большими и малыми по размерам, выполненным на ватмане или фотобумаге), без боязни сползания обкатного ролика с плана или его пробуксовки.

Наиболее значимым достоинством заявленного планиметра будет получение высокой точности результатов измерения, так как в нем сам обкатный ролик взаимодействует с диском, имеющим ровную матовую поверхность. Ролик может быть выполнен заостренным (с шириной кромки до 0,05 мм), а главное, в нем обеспечивается увеличение масштаба измерений в несколько раз.

Формула изобретения

Радиальный планиметр, содержащий поворотный столик, обводной рычаг с продольным пазом посередине, размещенный на рычаге счетный механизм с обкатным роликом, а также визир на конце обводного рычага, отличающийся тем, что в нем обводной рычаг выполнен раздвижным, состоящим из двух частей, первая его часть невыдвижная, установлена с возможностью вращения на внешнем кольце поворотного столика и снабжена в месте соединения большой шестерней, вторая выдвижная, снабжена зубчатой рейкой и размещена с возможностью продольного перемещения в направляющих, нанесенных на наружных стенках первой части, обкатной ролик, дополнительно снабженный роликом контактирования и посаженный на вал с возможностью вращения и возвратно-поступательного перемещения в направляющих; счетчик, фиксирующий оборот обкатного ролика, поворотный столик выполнен включающим корпус, на верхней части которого размещена с возможностью вращения фрикционный диск с однородной матовой поверхностью, а также три шестерни одинаковых диаметров, образующие вместе с большой шестерней на кольце первой части рычага планетарную передачу, причем центральная малая шестерня посажена на валу фрикционного диска, в устройство дополнительно введен механизм радиального перемещения обкатного ролика со скоростью, пропорциональной квадрату линейно изменяемого радиуса обводного рычага, включающий вал, жестко посаженную на валу шестерню и эксцентрик, наружная кромка которого определяется зависимостью ρ = кΦ²+c, где Φ - угол в радианах, k - коэффициент, c - постоянное слагаемое.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6