Автоматический измеритель заданного интервала длины при помощи нониуса

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к приборам для линейных измерений, и может быть использовано в станкостроении. Устройство содержит станину, передвижной механизм передвижной каретки, основную и нониусную шкалы измерительной линейки, оптические блоки основной и нониусной шкал измерительной линейки, блок фотоэлементов, расположенный на передвижной каретке, механизм передвижения оптических блоков относительно передвижной каретки, счетчики числа штрихов основной и нониусной шкал измерительной линейки, блоки совпадений штрихов основной и нониусной шкал, блоки определения точного линейного значения штрихов основной и нониусной шкал, блок определения разностных сигналов; блок памяти поправок. Последний содержит поправки относительно эталона в зависимости от номера штриха измерительной линейки основной и нониусной шкал, вводимые через блок алгебраического суммирования в счетчики числа штрихов основной и нониусной шкал измерительной линейки и блоки определения точного линейного значения штрихов основной и нониусной шкал. При этом основная и нониусная шкалы измерительной линейки уменьшены относительно минимального интервала длины 0,5 мм с помощью фотографирования в 10 или 40 раз. Технический результат заключается в измерении линейных расстояний значительной длины с повышенной точностью. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области медицинской техники /микрохирургия/, станкостроения, машиностроения /электронно-механические роботы и т.д./.

Уровень техники. Аналоги предлагаемого изобретения:

1 - "Контрольная линейка типа КЛ"

Опубликовано: Линейки измерительные металлические. Методика поверки МИ 2024-89, Государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам.

Москва 1990 г. - стр.5

2 - Оптиметр ОВО-1

Опубликовано: Кондашевский В.В.

"Современные широкодиапазонные цифровые устройства для линейных измерений."

Новосибирск 1978 г. - стр.14

3 - Длиномер ИЗВ-2

Опубликовано: Кондашевский В.В.

"Современные широкодиапазонные цифровые устройства для линейных измерений."

Новосибирск 1978 г. - стр.14

4 - Оптико-механическая машина для измерения длины; ИЗМ-11 Опубликовано: Васильева И.И.

"Механические и оптико-механические приборы для линейных измерений."

Ленинград СЗПИ 1978 г. - стр.43

5 - Оптиметр ИКВ-3

Опубликовано: Васильева И.И.

"Механические и оптико-механические примеры для линейных измерений."

Ленинград СЗПИ 1978 г. - стр.27

Наиболее близкий к предлагаемому изобретению аналог под номером: №1.

Совокупность признаков /аналог №1/, сходных с совокупностью существенных признаков изобретения:

1 - длина шкалы

2 - цена деления

3 - предел допустимой погрешности

Совокупность признаков /аналоги №2, 3, 4, 5/, сходных с совокупностью признаков, существенных для изобретения:

1 - минимальная цена деления

2 - диапазон измерений /пределы измерения наружных размеров/

3 - предел основной допустимой погрешности измерения

4 - предел относительной погрешности

Причины, препятствующие получению требуемого технического результата в аналогах относительно предлагаемого изобретения:

1 - длина шкалы

Измерение длины исследуемых объектов в аналогах ограничивается длиной шкалы контрольной линейки типа КЛ /аналог №1/, равной: 1020 мм, диапазоном измерения оптиметра ОВО-1 /аналог №2/, равным: 0,2 мм, диапазоном измерения длиномера ИЗВ-2 /аналог №3/, равным: 100 мм, пределом измерения наружных длин оптико-механической машины для измерения длин ИЗМ-11 /аналог №4/, равным: 0-2000 мм, пределом измерения наружных размеров ИКВ-3 /аналог №5/, равным: 1-200 мм.

Причиной, препятствующей получению технического результата в аналогах: измерение исследуемых объектов неограниченной длины /20 м и более/, являются нерациональная конструкция приборов измерения, приводящая к большому пределу основной допустимой погрешности, и их значительная стоимость.

Предел основной допустимой погрешности измерения в аналоге №4 /оптико-механическая машина для измерения длины ИЗМ-11/ равна: ± /0,4+4· 10^-3 L мм/мкм, где L - измеренная длина в мм. Таким образом, предел основной допустимой погрешности измерения длины в вышеуказанном аналоге зависит от длины измерения L.

В предлагаемом изобретении предел основной допустимой погрешности измерения длины определяется по формуле дисперсии, опубликованной в книге: Б.В. Гнеденко "Курс теории вероятностей" Москва 1961 г.:

где: - число испытаний

/L_мм=n· Δ _{мин.инт.}[мм]/

δ =α -β

Р=1-q - предельная вероятность появления события E, соответствующего точному нанесению штриха минимального интервала длины линейки;

q - предельная вероятность появления события , соответствующего неточному нанесению штриха минимального интервала длины линейки;

β =1-α - вероятность появления частоты событий , связанных в однородную цепь Маркова /соответствующие точному нанесению штриха минимального интервала длины линейки/;

α - вероятность отклонений от заданной вероятности появления частоты событий Е, связанных в однородную цепь Маркова /соответствующие неточному нанесению штриха минимального интервала длины линейки/.

Примем значения предельных вероятностей: P=q=0,5. Определим α из уравнения, вытекающего из интегральной теоремы Лапласа при соответствующей функции распределения:

Исходя из неравенства Чебышева для больших чисел, найдем вероятность уклонения измеряемой величины, которое больше чем заданное число α _Z для единицы длины:

После чего получим предел основной допустимой погрешности измерения длины L, мм:

Δ =±/Р_х·Lмм+α _n/,

где α _n - функция от минимального измеряемого интервала длины предлагаемого изобретения, вероятности точности нанесения одного штриха минимального интервала, вероятности точности отсчета штриха. С достаточной степенью точности α _n можно считать равным:

α _n=/0,4÷ 0,5/· Δ _{мин.инт.},

где Δ _{мин.инт.} - минимальный интервал длины измерительного прибора.

Для предлагаемого изобретения:

- Δ _{мин. инт.}=10^-3 мм /с нониусом/

- L=1000 мм

-

Δ =±/1,4· 10^-3. Lмм+0,5 мкм/

- Δ _{мин.инт.}=0,25 мкм /с нониусом/

- L=1000 мм

Δ =±/5· 10^-4 Lмм+0,1 мкм/

Величина предельного отклонения допустимой погрешности при измерении длины Lмм определяется в вышеуказанных расчетах заданной функцией распределения штрихов измерительной линейки.

Предел основной допустимой погрешности при измерении длины Lмм можно рассчитать следующим образом.

Будем измерять длину Lмм линейкой, у которой согласно ГОСТ 427-56:

- минимальный интервал: 0,5 мм

- ширина штрихов: 0,15± 0,05 мм

- отклонения мм подразделения: ≤ 0,05 мм

Затем проводим измерения линейкой с нониусом, у которых минимальный интервал измерения:

1 - линейка с уменьшенным размером 1/10:

2 - линейка с уменьшенным размером 1/40:

Следует заметить, что при допустимых отклонениях штрихов минимального интервала линейки могут существовать три группы интервалов:

1 - с шириной штриха: 0,1 мм± 0,05 мм

2 - с шириной штриха: 0,15 мм± 0,05 мм

3 - с шириной штриха: 0,2 мм± 0,05 мм,

где ± 0,05 мм - максимальное отклоненние от ширины штриха: 0,1÷ 0,2 мм /среднестатистические данные/.

Введем величину среднего отклонения минимального интервала от математического точного значения минимального интервала длины Δ _T: .

Таким образом, существуют 3 /три/ группы интервалов со средним отклонением штриха :

1 - Δ _T - математическое точное значение минимального интервала измерительной линейки.

2 - Δ _T+ - минимальный интервал длины линейки больше точного.

3 - Δ _T- - минимальный интервал длины линейки меньше точного.

Определим длину Lмм как состоящую из суммы n₁ точных значений минимальных интервалов измерительной линейки n₁·Δ _T, n₂ минимальных интервалов длины линейки больше точных: n₂/Δ _T+/, n₃ минимальных интервалов длины линейки меньше точных: n₃/Δ _T-/.

Сумма: n₁+n₂+n₃=n - суммарное число минимальных интервалов измерительной линейки, соответствующее значению заданного числа измеряемой длины Lмм.

Определим средний минимальный интервал измеряемой длины L:

В случае идеальной измерительной линейки /линейка только из точных /Δ _т/ минимальных интервалов длины/ измеренная таким образом заданная точная длина равна:

L_т=n· Δ _т

Таким образом:

L_изм.=n· Δ _ср.=L_т±Δ _укл.

± Δ _укл.=n· Δ _ср.-n· Δ _т

Определим уклонение измеряемой длины от математического точного значения L_т на единичном минимальном интервале длины:

Обозначим:

- вероятность появления минимальных интервалов точных /Δ _т/ на измеряемой длине L.

- вероятность появления минимальных интервалов больше точных /Δ _т+/ на измеряемой длине L.

- вероятность появления минимальных интервалов меньше точных /Δ _т-/ на измеряемой длине L.

Получим:

± Δ _укл.1=Δ _т·/Р₁+Р₂+Р₃-1/+/P₂-Р₃/·

Так как n₁+n₂+n₃=n, то: Р₁+Р₂+Р₃-1=0

Получим:

Δ _укл.1=±/Р₂-P₃/· ,

где: P_x1=± /P₂-Р₃/

=Р_x2·Δ _{мин.инт.}

Δ _укл.1=± Р_Х1·Р_X2·Δ _{мин.инт.},

где: Р_x1 - вероятность совместных событий: появление точного интервала /Δ_т/, появление /Δ_т+/ интервала, появление /Δ_т-/ интервала при измерении в функции нанесения штрихов минимального интервала измерительной линейки.

Р_Х2 - вероятность совместных событий частоты появления на единице длины трех групп интервалов со средним отклонением минимального интервала измерительной линейки от математического точного значения минимального интервала длины.

Ищем решение значения вероятности уклонения на единице длины Р_Х как произведение двух вероятностей каждая из которых есть произведение вероятностей трех групп совместных событий, для трех групп штрихов, которые суммируются по правилу сложения несовместных событий.

При равномерном распределении частот повторения событий:

Получим:

Определим вероятность появления точного минимального интервала как отношение: и вероятность появления неточного штриха меньше и больше точного.

Для предлагаемого изобретения:

Получим:

Δ _укл.=±/2,8· 10^-3·Lмм+0,5 мкм/

Δ _укл.=±/2,8· 10^-3·Lмм+0,1 мкм/

Следует заметить, что приведенные в первом доказательстве значения предельных основных допустимых погрешностей измерения длины различны для разных минимальных интервалов измерения в зависимости от функции распределения, соответствующей интегралу, берущемуся в одинаковых пределах относительно единицы длины.

Во втором доказательстве значения предельных основных допустимых погрешностей измерения длины одинаковы для разных минимальных интервалов измерения /различны только α _n/ в соответствии с равномерной функцией распределения и вероятностных законов.

Определим точность измерения длины L при различных способах измерения:

1 - уклонение при измерении линейкой с нониусом для:

- L=1000 мм: Δ _укл.=±2,8 мм

- L=10 м: Δ _укл.=±28 мм

2 - будем измерять длину L как:

L=n₁м+n₂дцм+n₃см+n₄мм+n₅·0,1мм+n₆·0,01мм+n₇·10^-3мм+n₈·10^-4мм+n₉·10^-5мм

Причем штрихи измерительной линейки нанесены со средним квадратичным отклонением результата измерений порядка 1 мкм при уменьшении с помощью фотографирования измерительной линейки в 40 раз и допускаемой погрешности нанесения штриха на измерительной линейке: Точность установки штриха при измерении заданного интервала длины при помощи нониуса после калибровки эталонным прибором не хуже: 10^-7 м÷ 10^-8 м /телевизионный способ точной установки штриха или дифференциальный способ точной установки штриха/.

Получим для L=10,55578913 м:

при Δ _{1-гоштриха}=±0,01 мкм / Δ _{1-гоштриха} – точность установки одного штриха/

уклонение:

Δ _L≤10+5+5+5+7+8+9+1+3/±0,01 мкм ≤ ±0,53 мкм

при Δ _{1-гоштриха}=± 0,1 мкм

Δ _L≤53±0,1 мкм≤ ± 5,3 мкм

при Δ _{1-гоштриха}=± 0,25 мкм

Δ _L≤53±0,25 мкм≤ ±13,25 мкм

при Δ _{1-гоштриха}=≤ ± 1 мкм

Δ _L≤53±1 мкм≤ ±53 мкм

при Δ _{1-гоштриха}=±1,25· 10^-2 мм

Δ _L≤53· ±1,25· 10^-2 мм≤ ± 0,6625 мм

3 - будем измерять длину L при точной установке штриха с поправками относительно эталона для каждого штриха измерительной линейки и для любого сочетания совпадений штрихов основной и нониусной шкал, занесенных в блок памяти поправок электронного блока автоматического измерителя.

Показания электронного табло соответствуют сумме точных значений минимальных интервалов длины в соответствии с калибровкой эталона. Каждый интервал от нуля измерительной линейки соответствует определенной поправке в блоке памяти с точностью: ± 0,01 мкм, не зависящей от точности составных частей суммарного интервала в пределах вышеуказанной точности.

Для осуществления реальной схемы блока памяти поправок /дешевизна, рациональная конструкция, оптимальная потребляемая мощность/ возможен повтор кодов одинаковых интервалов измерительной линейки: 1 мм, 1 см, 1 дцм, 1 м, что приводит к значительно меньшему необходимому объему памяти.

Таким образом, для L=10,55578913 м:

где i=3-5

Сумма: соответствует числу минимальных интервалов измерительной линейки, которое в сумме с дает измеряемую величину L:

L=L_т+L_пoпp.

При Δ _укл.=±0,01 мкм каждого штриха L в соответствии с эталоном /т.е. поправок блока памяти/:

Δ _L=53· ± 0,01 мкм+Δ _укл.L_попр.+α _n

Следует заметить, что L_попр. не может быть больше в нашем примере чем 0,07-0,1 мм, т.к. штрихи с поправками из блока памяти поправок /каждый из 53-х/ могут быть смещены максимально на 1,25· 10^-3 мм с учетом уменьшения отклонения смещения /Δ _см=0,05 мм/ штриха измерительной линейки в 1/40 раз: , суммарная длина которых и определяет поправочную длину L_попр.: 53· 1,25· 10^-3 мм=0,07-0,1 мм

Определим:

Δ _укл. L_попр.=Р_х·L_пoпp.

При: Δ _{укл.1-го штриха}=±0,01 мкм с учетом уменьшения ширины и смещения штрихов измерительной линейки: 0,1 мм, 0,15 мм, 0,2 мм в 40 раз. Повторение кодов определенных интервалов измерительной линейки предопределяет точность штрихов при существующих смещениях: ± 0,01 мкм. Получим:

Р_х=/0,992· 4· 10^-3.4· 10^-3+0,995· 2,65· 10^-3·2,65· 10^-3+0,996· 1,99· 10^-3·1,99· 10^-3 /· /1/3/³=9,916· 10^-7

Δ _укл. L_пoпp.=9,916· 10^-7·0,1 мм=0,99· 10^-4 мкм

Δ _L=± /0,53 мкм+0,99· 10^-4 мкм+0,1 мкм/=± 0,6301 мкм

Таким образом, уклонение L_попр. порядка 1-го мм дает значения на порядок меньше, чем уклонений точных интервалов, в силу чего нет необходимости заводить в блок памяти поправок значения всех интервалов L измерительной линейки /справедливо для определенной выбранной точности измерения/.

4 - Будем измерять L при точной установке штрихов с поправками относительно эталона для каждого штриха измерительной линейки, занесенные в схему памяти электронного измерительного блока, /показания электронного табло соответствуют сумме минимальных интервалов с поправками/.

Примем Δ _укл.=±0,01 мкм для каждого штриха, соответствующего минимальному интервалу измерительной линейки.

Для L=10,55578913 м:

Δ _укл.=±/P_хL+0,1 мкм /, где Р_х=9,916· 10^-7

Δ _укл.L=±/10,55578913 м· 9,916· 10^-7+0,1 мкм/=±0,0106 мм=±10,6 мкм

5 - Будем измерять L при точной установке штриха с поправками относительно эталона /например, Δ _укл.=± 0,01 мкм/ для каждого штриха измерительной линейки, занесенными в схему памяти электронного измерительного блока.

Для предлагаемого изобретения:

Δ _укл.=± 0,01 мкм для любого L_n измерительной линейки, т.е. для любого L_n существуют n_x минимальных интервалов измерительной линейки с уклонением Δ _укл.=1/2 /Δ _{мин.инт.}/например, Δ _укл.=±0,1 мкм/, которое суммируется со значением уклонения для литого L_n.

Значения электронного табло соответствуют точному значению измеряемой величины L, занесенному в схему памяти.

Для L=10,55578913 м: Δ _L=±/0,1 мкм+0,01 мкм/=± 0,11 мкм

Следует отметить, что данный способ измерения требует большого объема электронной памяти.

Приведем некоторые данные существующих в настоящее время эталонов измерения:

1 - "Новые приборы для точных линейных измерений." М.М.Кемпинский, Ленинград, 1962 г.

- измерения с ценой деления: 0,1÷ 0,01 мкм

2 - "Разработка и исследование измерительных систем для точных измерений координатных точек изделия." Ф.М.Данелевич, Ленинград, 1978 г.

- авторское свидетельство №206123: фотоэлектронное отсчетное устройство с погрешностью отсчета до ±0,3 мкм.

3 - "Средства измерения линейных размеров и углов." М.И.Меклер, ЦНИИТИ, Москва, 1964 г. Англия: фирма " Ferranti ":

Метод контроля перемещения с помощью муаровых полос, создаваемых дифракционными решетками.

- Изготовление деталей с ценой деления: 0,1 и 0,01 мкм

Таким образом, предлагаемое изобретение позволит измерять линейные размеры неограниченной длины со значительно меньшей величиной уклонения от точного значения заданного интервала длины относительно аналогов, что приводит к переходу в квалитет с большей точностью.

Практически точность измерения зависит только от эталона.

В предлагаемом изобретении возможно измерение длин исследуемых объектов: 20 м и более с требуемой точностью 0,005% длины и меньшего числа процентов при незначительной относительной стоимости измерительного прибора и малым значением потребляемой энергии относительно аналогов.

Переход на обработку изделий с большей точностью или переход в квалитет с большей точностью /на один и более/ на большинстве предприятий промышленности приводит к значительной экономии металла и снижению стоимости изделий /например, допуск: ±0,1÷ ± 0,01 мкм соответствует 02÷ 03 квалитету/.

2 - цена деления

Невозможно осуществить высокую точность измерения при большой цене деления измерительного устройства.

В аналогах цена деления: 1 /аналог №1/ - 0,2 и 1,0 мм

2 - 0,001 мм

3 - 0,001 мм

4 - 0,001 мм, 0,1 мм, 100 мм

5 - 0,001 мм

Минимальная цена деления - в предлагаемом изобретении: 2 мкм, 1 мкм, 0,5 мкм, 0,25 мкм и менее, обеспечивающие большую точность измерения, чем в аналогах. Кроме того, в предлагаемом изобретении может быть цена делений: 1 м, 1 дцм, 1 см, 1 мм, 0,1 мм, 0,01 мм, 10^-3 мм /I мкм./. Следует заметить, что вышеуказанные цены деления: от 1 мкм до 0,25 мкм и менее являются условной ценой делений при измерении заданного интервала длины при помощи нониуса.

3 - предел допустимой погрешности

Невозможно обеспечить высокую точность измерения при большом пределе допустимой погрешности.

В аналогах предел допустимой погрешности:

1 - ± 0,06 мм и ± 0,08 мм

2 -

3 -

4 - ± /0,4 мкм +4· 10^-3 L мм/мкм

5 - ±0,3 мкм

Предел допустимой погрешности в предлагаемом изобретении для разных способов измерений:

1 - Вероятностный способ определения уклонения

Δ _укл.=±/2,8· 10^-3·L мм+0,1 мкм/

L=1000 мм : Δ _укл.=±2,8 мм

L=10 м : Δ _укл.=±28 мм

2 - Способ определения уклонения при переменной цене деления.

Для L=10,55578913 м:

Δ укл.≤ ± 0,53 мкм при =± 0,01 мкм

Δ _укл.≤±5,3 мкм при =± 0,1 мкм

Δ _укл.≤± 13,25 мкм при =± 0,25 мкм

Δ _укл.≤± 1,53 мкм при =± 1 мкм

Δ _укл.≤± 0,6625 мм при =± 1,25· 10^-2 мм

3 - Способ определения уклонения с точной установкой штриха и электронной памятью поправок для литого последовательного числа L_n интервалов измерительной линейки при измерении заданного интервала длинм при помощи нониуса.

Для L=10,55578913 м:

Δ _Lукл.=± 0,6301 мкм при =± 0,01 мкм

4 - Способ определения уклонений c точной установкой штриха и электронной памятью поправок для каждого минимального интервала измерительной линейки с нониусом.

Для L=10,55578913 м:

Δ _{L укл.}=± /9,916· 10^-7 L_мм+0,1 мкм/

Δ _Lукл.=± 10,6 мкм

5 - Способ определения уклонения с точной установкой штриха и электронной памятью поправок для любого интервала измерительной линейки с нониусом в любом сочетании.

Δ _{L укл.}=± 0,11 мкм для любого L_n /10÷ 20 м и более/, ограниченное точностью образцового прибора, минимальным интервалом длины измерительной линейки и точностью установки штриха измерительной линейки.

Данные допустимые предельные погрешности обеспечивают большую точность измерения, чем в аналогах.

4 - Диапазон измерений /пределы измерений наружных размеров/

Приведенные аналоги отличаются малыми диапазонами измерения и малыми пределами измерений наружных размеров.

В аналогах диапазон измерений /пределы измерений наружных размеров/:

1 -

2 - 0,2 мм

3 - 100 мм

4 - 0÷ 2000 мм

5 - 0÷ 200 мм

В предлагаемом изобретении диапазон измерений /пределы измерений наружных размеров/ возможен в пределах 0÷ /10÷ 20/ м и более с автоматическим переключением диапазона измерений в электронном блоке, что значительно лучше, чем в аналогах.

5 - Пределы относительной погрешности.

Предел относительной погрешности определяет точность измерения.

В аналогах пределы относительной погрешности:

1 -

2 - 3· 10^-3

3 - 1,5· 10^-5

4 -

5 -

В предлагаемом изобретении предел относительной погрешности:

что значительно лучше, чем в аналогах.

Сущность изобретения

Существенные признаки предлагаемого изобретения, обеспечивающие соответствующий технический результат:

1 - длина шкалы

Длина шкалы в предлагаемом изобретении определяется длиной шкалы измерительной линейки, которая может быть в пределах:

0÷ /10÷ 20/ м и более.

Данный параметр предлагаемого изобретения обеспечивает технический результат: измерение заданной длины 0÷ /10÷ 20/ м с необходимой точностью: Δ _укл.=± /0,11 мкм ÷ 53 мкм/ и менее в функции длины измерения.

2 - цена деления

Цена деления в предлагаемом изобретении определяет точность измерения.

Чем меньше цена деления, тем более высокая точность измерения: в предлагаемом изобретении Δ_{мин.инт.}=0,25 мкм, который определяет точность измерения: Δ _укл.=±0,11 мкм при определенном /5/ способе измерения.

Данный параметр предлагаемого изобретения обеспечивает технический результат: измерение заданной длины с необходимой точностью:

Δ _укл.=±0,11 мкм. Следует заметить, что цены деления предлагаемого изобретения: от 1 мкм до 0,25 мкм и менее являются условной ценой деления при измерении заданного интервала длины при помощи нониуса.

3 - предел допустимой погрешности

Предел допустимой погрешности в предлагаемом изобретении определяет точность измерения.

Чем меньше предел допустимой погрешности, тем больше точность измерения: в предлагаемом изобретении минимальный предел допустимой погрешности определяется точностью эталонного прибора и минимальным интервалом длины измерительной линейки: Δ _L=± 0,11 мкм при определенном /5/ способе измерения.

Данный параметр предлагаемого изобретения обеспечивает технический результат: измерение заданной длины с необходимой точностью:

Δ _L=± 0,11 мкм

4 - диапазон измерений /пределы измерений наружных размеров/

Диапазон измерений /пределы измерений наружных размеров/ в предлагаемом изобретении определяет универсальность измерительного прибора.

Чем больше диапазон измерений /пределы измерений наружных размеров/, тем более универсален измерительный прибор.

Данный параметр предлагаемого изобретения обеспечивает технический результат: измерение заданной длины с необходимой точностью в пределах 0÷ /10÷ 20/ м и более.

5 - предел относительной погрешности

Предел относительной погрешности в предлагаемом изобретении определяет точность измерения.

Чем меньше предел относительной погрешности, тем более высокая точность измерения.

Данный параметр предлагаемого изобретения обеспечивает технический результат: измерение заданной /предельной/ длины с необходимой точностью, определяемой пределом относительной погрешности:

γ =/2,5÷ 3,8/· 10^-8

Перечень чертежей предлагаемого изобретения: "Автоматический измеритель заданного интервала длины при помощи нониуса".

1 - фиг.1. Упрощенная блок-схема отсчета штрихов интервалов измерительной линейки.

На фиг.1 изображено: 1 - блок фотоэлементов; 2 - оптический блок; 3 - основная шкала измерительной линейки; 4 - счетчик числа штрихов измерительной линейки; 5 - осветительная лампа.

2 - фиг.2. Блок-схема оптического блока автоматического измерителя. На фиг.2 изображено: 3 - основная акала измерительной линейки; 6 - оптический блок основной шкалы; 7 - оптический блок нониусной шкалы; 8 - передвижная каретка; 9 - обрабатываемая деталь; 10 - нониусная шкала; 11 - блок фотоэлементов.

3 - фиг.3. Блок-схема электронного блока автоматического измерителя.

На фиг.3 изображено: 6 - оптический блок основной шкалы; 7 - оптический блок нониусной шкалы; 11 - блок фотоэлементов; 12 - счетчик числа штрихов основной шкалы; 13 - блок совпадений заданного номера штриха основной шкалы и точного линейного значения данного штриха; 14 - блок определения точного линейного значения заданного номера штриха основной шкалы; 15 - счетчик числа штрихов нониусной шкалы; 16 - блок совпадений заданного номера штриха нониусной шкалы и точного линейного значения данного штриха; 17 - блок определения точного линейного значения заданного номера штриха нониусной шкалы; 18 - блок останова передвижной каретки; 19 - блок памяти поправок; 20 - электронное табло; 21 - импульсный усилитель; 22 - блок алгебраического суммирования.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Способ измерения заданного интервала длины в предлагаемом изобретении ясен из упрощенной блок-схемы отсчета штрихов интервалов измерительной линейки /фиг.1/. Соответствующая длина измеряется при отсчете штрихов основной шкалы измерительной линейки /3/ счетчиком числа штрихов измерительной линейки /4/, который передвигается относительно измерительной линейки вместе с блоком фотоэлементов /I/ и оптическим блоком /2/. Осветительная лампа /5/ служит для подсветки штрихов измерительной линейки.

Шкала измерительной линейки подучена путем фотографирования эталонной линейки /минимальный интервал измерения: Δ =0,5 мм/ с коэффициентом уменьшения в 10 раз и 40 раз. Например, 10 см эталонной линейки при уменьшении в 10 раз будут выглядеть на фотографии этой линейки как 1 см, 1 см - как 1 мм с 20-ю делениями через минимальный интервал измерения: 0,05 им. Таким образом, минимальный интервал шкалы такой линейки будет равен:

- при уменьшении в 10 раз: Δ 1/10=0,05 мм

- при уменьшении в 40 раз: Δ 1/40=0,0125 мм.

Увеличение изображения шкалы оптическим блоком в 100÷ 1000 раз обеспечивает экранирование светового потока, идущего от осветительной дампы /5/ на фотоэлемент блока фотоэлементов, линейным размером штриха. При прохождении n-го штриха измерительной линейки оптическим блоком появляется импульс тока в блоке фотоэлементов. Таким образом, происходит отсчет заданной длины, соответствующей n_x штрихам измерительной линейки: l_x=n_x·Δ_{мин.инт.} Число штрихов n_х отсчитывается счетчиком числа штрихов измерительной линейки.

Оптический блок проектирует световой поток на значительную поверхность блока фотоэлементов, в котором расположен фотоэлемент с большой рабочей площадью восприятия светового потока, создающий импульсный сигнал напряжением U_c≥3 В, что достаточно для уверенного счета минимальных интервалов длины измерительной линейки. Вышеуказанное напряжение полезного сигнала значительно больше напряжений внешних помех и соответствует общепринятым нормам по помехозащищенности.

Способ измерения заданного интервала длины при помощи нониуса ясен из блок-схемы оптического блока автоматического измерителя /фиг.2/.

Определим точность измерения при помощи нониуса /а25, a50/ при уменьшении эталонной измерительной линейки и шкалы нониуса с помощью фотографирования в 10 раз:

- при числе делений нониуса: n=25 и минимальном интервале измерительной линейки: Δ 1/10=0,05 мм

- при числе делений нониуса: n=50 /Δ 1/10=0,05 мм/

Определим точность измерения при помощи нониуса /а25, а50/ при уменьшении эталонной измерительной линейки и шкалы нониуса с помощью фотографирования в 40 раз:

- при числе делений нониуса: n=25 и минимальном интервале измерительной линейки: Δ 1/40=1,25· 10^-2 мм

- при числе делений нониуса: n=50 /Δ 1/40=1,25· 10^-2 мм/

Автоматическое измерение заданной длины l_х при помощи нониуса происходит следующим образом:

- оптический блок основной шкалы /6/ и оптический блок нониусной шкалы /7/, механически связанные друг с другом, устанавливаются в "0" /ноль/ нониусной шкалы /10/. Передвижение - относительно передвижной каретки /8/ - фиг.2.

Затем при помощи передвижного механизма передвижной каретки блоки /6, 7 - фиг.2/ вместе с кареткой устанавливаются в "0" /ноль/ основной шкалы измерительной линейки /3/ или на любой штрих основной шкалы при помощи блоков определения точного линейного значения заданного номера штрихов основной и нониусной шкал /блоки 14, 17 - фиг.3/.

Световые импульсы, появляющиеся в оптических блоках при прохождении штрихов основной и нониусной шкал, поступают на блок фотоэлементов /11 - фиг.2, 3/.

Заданная линейная длина l_x соответствует, например, длине обработки определенным инструментом обрабатываемой детали /9/ - фиг.2.

- начинается отсчет штрихов основной шкалы в соответствии с заданным кодом числа необходимого отсчета штрихов в счетчике числа штрихов основной шкалы /12/ - фиг.3 /вход "а"/.

Сигналы, идущие с оптического блока основной шкалы /6/, попадают через блок фотоэлементов /11/ на блоки /12, 14/ - фиг.3.

При совпадении сигналов конец счета N_х штрихов основной шкалы и точного линейного значения штриха N_x в блоке совпадений заданного номера штриха основной шкалы и точного линейного значения данного штриха /13/ - фиг.3 на выходе вышеуказанного блока совпадений появляется сигнал "с" /фиг.3/, который разрешает счет заданного числа n_х штрихов нониусной шкалы в соответствии с заданным кодом /вход "в"/ в блоке счетчика числа штрихов нониусной шкалы /15/ - фиг.3 и дает разрешение на движение передвижной каретки /8/ с малой скоростью /меньшей, чем скорость при отсчете штрихов основной шкалы/. Кроме того, сигнал "с" поступает на блок останова передвижной каретки /18/ - фиг.3.

Возможен режим работы, при котором переключение на меньшую скорость передвижения передвижной каретки происходит, например, при N_x-1 штрихе.

- начинается отсчет заданного числа n_x штрихов нониусной шкалы, при этом соответствующим механизмом передвигаются блоки /6, 7/ - фиг.2 относительно передвижной каретки в соответствующий штрих нониусной шкалы /n_x/ по сигналу "с".

Сигналы, идущие с оптического блока нониусной шкалы /7/, попадают через блок фотоэлементов /11/ на блоки: счетчик числа штрихов нониусной шкалы /15/ и блок определения точного линейного значения заданного номера штриха нониусной шкалы /17/ - см. фиг.3.

При совпадении сигналов конец счета n_x- заданного числа штрихов нониусной шкалы и точного линейного значения штриха n_x в блоке совпадений заданного номера штриха нониусной шкалы и точного линейного значения данного штриха /16/ - фиг.3 на выходе выше указанного блока совпадений появляется сигнал "d ", который дает разрешение на движение передвижной каретки совместно с блоками /6, 7/ - фиг.2 с малой скоростью до совпадения заданного номера штриха n_x нониусной шкалы с соответствующим номером штриха основной шкалы измерительной линейки.

Так как оптические блоки основной и нониусной шкал /блоки 6, 7 - фиг.2/ находятся на одной оси, то при точном определении штрихов основной и нониусной шкал фиксируется совпадение заданного номера штриха n_x нониусной шкалы с соответствующим номером штриха основной шкалы. При разрешающем сигнале конец счета N_x /сигнал "c"/, конец счета n_x /сигнал "d "/, занесенные в схему памяти блока останова передвижной каретки /18/, положительном потенциале входа блока /13/, воспринимающего импульсные сигналы от блока /12/, вышеуказанный положительный потенциал остается положительным при помощи схемы памяти блока /13/, определяется блоком /14/ точное линейное значение соответствующего штриха основной шкалы, соответствующее вышеуказанному совпадению штрихов основной и нониусной шкал. При этом появляется на выходе блока /13/ повторный сигнал "c", который поступает на блок останова передвижной каретки. На выходе блока останова передвижной каретки появляется сигнал останова передвижной каретки, поступающий через импульсный усилитель /21/ на исполнительный механизм останова передвижной каретки.

Отсчет заданного числа, соответствующего определенной длине измерения, автоматическим измерителем при помощи нониуса произведен.

Для улучшения точности измерения в предлагаемом изобретении существует блок памяти поправок /19/ - фиг.3, который через блок алгебраического суммирования /22/ заводит поправки в соответствии с эталонным прибором и функцией числа штрихов основной и нониусной шкал в блоки 12, 14, 15, 17 - см. фиг.3. На электронном табло /20/ высвечиваются точные значения соответствующих линейных размеров или поправок в зависимости от числа штрихов основной и нониусной шкал и значений чисел, сосчитанных счетчиками числа штрихов основной и нониусной шкал.

Следует отметить, что предложенный автоматический измеритель заданного интервала длины при помощи нониуса дает весьма малую погрешность измерения из-за люфтов шестерен вернеров, фрикционов и различных видов механических передач.

Кроме того, в реальной цепи Марковских событий при измерении длины в очень слабой зависимости штрихов большей цены делений от штрихов меньшей цены делений можно свести к малой величине зависимость точности измерения от длины измерения способом измерения длины с переменной ценой деления /способ №2/.

Вопросы применения фотоматериалов, необходимых для осуществления предлагаемого изобретения.

Согласно инструкции 83-57 Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР по поверке измерительных металлических линеек Москва - 1973 г. Гост 427-56 размеры шкалы линейки:

- ширина штрихов: 0,15 мм ± 0,05 мм

- минимальный интервал или цена деления: 0,5 мм

При уменьшении шкалы вышеуказанной линейки с помощью фотографирования в 40 раз:

- Δ _{ширины штриха}=0,375· 10^-2 мм

- Δ _{мин.инт.}=1,25· 10 мм

Согласно книге Бунимович Д.З. "Справочник фотолюбителя" - М.: Изд. Московская правда, I960 г. - стр.146-147, табл.53, разрешающая способность фотоматериалов составляет величину до 90 штр./мм, что означает; на 1 мм фотоматериалов может быть расположено 90 штрихов с расстояниями между штрихами:

Будем считать, что интервал между штрихами приблизительно равен ширине штриха. При этом ширина штриха такого фотоматериала будет равна: Δ _{ширины штриха фотомат.}=0,55· 10^-2 мм.

При соотношении ширины штрихов фотоматериала и измерительной линейки: для четкого воспроизведения на фотоматериале вышеуказанных штрихов измерительной линейки необходимо применять фотоматериалы с разрешающей способностью 90 штр./мм· 1,47=132 штр./мм).

При отображении штриха измерительной линейки, уменьшенной с помощью фотографирования в 40 раз, на фотоматериале с разрешающей способностью 90 штр./мм изображение вышеуказанного штриха будет отображаться с некоторой вероятностью: , т.е. на фотоматериале /90 штр./мм/ будет появляться изображение штриха шириной 0,375· 10^-2 мм несколько нечетким, но полностью повторяющее контур штриха, что не приводит к ухудшению точности измерения, т.к. каждый штрих основной шкалы измерительной линейки калибруется в соответствии с эталоном, как и каждое относительное положение штрихов основной и нониусной шкал. Размытость штриха необходима для различения штрихов при записи в электронную память изображений штрихов или меньших частей штрихов. Кроме того, можно изготовить измерительную линейку с шириной штриха, большей в 1,5 раза: 0,15 мм· 1,5=0,225 мм /при уменьшении шкалы такой линейки с помощью фотографирования в 40 раз: Δ _{ширины штриха}=0,55· 10^-2 мм/, что приведет к четкому изображению штриха при отображении его на фотоматериале с разрешающей способностью 90 штр./мм.

Указанная на. стр.17 описания предлагаемого изобретения цена деления 0,25 мкм не требует применения в предлагаемом изобретении фотоматериалов с разрежающей способностью, например, 4000 штр./мм, т.к. при автоматическом измерении заданной длины при помощи нониуса необходимы фотоматериалы с разрешающей способностью 90 штр./мм, отображающие размеры штрихов шириной: /0,375÷ 0,55/· 10^-2 мм, которые при измерении должны совпадать в определенном сочетании штрихов основной и нониусной шкал. На стр. 21 описания предлагаемого изобретения приведены расчеты точности измерения заданной длины с помощью нониуса при уменьшении эталонной измерительной линейки основной шкалы и нониусной шкалы в 40 раз при числе делений нониуса n=50 и

Δ _{мин.инт.}=1,25· 10^-2 мм.

Согласно: "Описание нониуса" /Учетное пособие для студентов МЭИ/ М., 1955 г. точность нониуса определяется как:

, где

α _м - цена делений основной шкалы

n - число делений нониуса

Для нашего случая:

Таким образом, при автоматическом измерении заданной длины при помощи нониуса при совпадении соответствующих штрихов основной и нониусной шкал /ширина штриха: /0,375÷ 0,55/· 10^-2 мм/ возможно измерение с точностью 0,25 мкм или через 0,25 мкм, т.к. точность измерения улучшается относительно минимального интервала измерительной линейки: 1,25· 10^-2 мм в 50 раз - равному числу делений нониуса. При этом вышеуказанный минимальный интервал измерения 0,25 мкм является условной ценой деления при автоматическом измерении заданной длины при помощи нониуса.

Следует учесть, что штрихи измерительной линейки нанесены на линейку с допускаемой погрешностью: ± 0,06 мм в соответствии с технической характеристикой контрольной линейки типа КЛ /Линейки измерительные металлические. Методика поверки МИ 2024-89, Москва, 1990 г./.

При уменьшении с помощью фотографирования измерительной линейки в 40 раз допустимая погрешность нанесения штриха будет равна:

При калибровке штрихов вышеуказанной измерительной линейки и различных положений штрихов основной и нониусной шкал относительно друг друга в соответствии с точностью эталона при помощи блока памяти поправок /19/, блока алгебраического суммирования /22/, блоков определения точного линейного значения заданного номера штриха основной и нониусной шкал /14, 17/ погрешность нанесенного штриха на измерительную линейку в предлагаемом изобретении с учетом поправок или точность установки штриха при измерении заданного интервала длины при помощи нониуса может быть не хуже: /10^-7÷10^-8/ м /телевизионный способ точной установки штриха или дифференциальный способ точной установки штриха/.

При телевизионном способе точной установки штриха передается изображение ширины штриха измерительной линейки, уменьшенной при помощи фотографирования в 40 раз, /согласно Инструкции 83-57 по поверке измерительных металлических линеек. Москва, 1973 г., ширина штрихов равна: 0,15± 0,05 мм при цене деления 0,5 мм/:

Вышеуказанный штрих измерительной линейки занимает после увеличения оптического блока в 1000 раз ширину 3,75 мм на площади восприятия светового потека передающей трубки блока фотоэлементов /11/. При числе элементов в строке развертки передающей телевизионной трубки порядка 1000 и совмещении изображения ширины штриха с вышеуказанным числом элементов в строке смещение штриха на один элемент строки соответствует: при увеличении оптического блока в 10000 раз - ширина штриха на передающей телевизионной трубке будет 37,5 мм, а смещение штриха на один элемент строки соответствует: 37,5 мкм/, что соответствует примерно длине, занимаемой одним элементарным элементом передающей телевизионной трубки.

Истинное смещение ширины штриха: 0,375· 10^-2 мм будет в 1000 раз меньше относительно 3,75 мкм:

Δ _{истинное смещение штриха}=3,75 мкм· 10^-3=3,75· 10^-9 м.

С учетом различных погрешностей телевизионного способа точной установки штриха в предлагаемом изобретении точность установки штриха может быть принята: 10^-7÷10^-8 м.

В книге B.C.Полоник "Прикладное телевидение", Государственное энергетическое издательство, Москва, Ленинград, 1962 г. - стр.125 приведены примерные данные телевизионного микроскопа: "Разрешающая сила телевизионного микроскопа получается достаточной для работы с увеличением до 1000÷ 1200 раз. Масштабное увеличение при этом достигает величины 30000."

Действия записи изображения половины штриха или его меньшей части в блок памяти, расположенного в блоках определения точного линейного значения заданного номера штрихов основной и нониусной шкал, совпадения кодовых сигналов изображения штриха вышеуказанного блока памяти и изображения штриха измерительной линейки, переданного передающей телевизионной трубкой блока фотоэлементов, в схеме совпадений блоков определения точного линейного значения заданного номера штрихов основной и нониусной шкал дают сигнал точной установки заданного положения штриха.

При дифференциальном способе точной установки штриха от двух боковых фотоэлементов блока фотоэлементов, отделенных от основного фотоэлемента, расположенного в середине, перегородками, идут соответствующие сигналы на блоки определения точного линейного значения заданного номера штрихов основной и нониусной шкал /14, 17/, где сравниваются и усиливаются. При совпадении значений амплитуд напряжений от двух боковых фотоэлементов /боковые фотоэлементы передают световые сигналы, не затемненные штрихами/ усилитель блока определения точного линейного значения заданного номера штрихов основной и нониусной шкал выдает сигнал точной установки штриха.

При этом точность установки штриха зависит от коэффициента усиления усилителей блоков определения точного линейного значения заданного номера штрихов основной и нониусной шкал.

Получение кодов числа штрихов основной и нониусной шкал при измерении заданного интервала длины при помощи нониуса.

Возьмем для примера интервал длины:

L=10,5557891 м.

Согласно сказанному выше L можно представить как:

L=10 м+5 дцм+5 см+5 мм+7· 0,1 мм+8· 10^-2 мм+9· 10^-3 мм+1· 10^-4 мм.

Минимальный интервал измерительной линейки, уменьшенной с помощью фотографирования в 40 раз: Минимальный условный интервал длины при измерении заданного интервала длины с помощью нониуса: Ширина штриха измерительной линейки, уменьшенной с помощью фотографирования в 40 раз: Будем считать, что при измерении заданного интервала длины штрихи измерительной линейки, откалиброванные с точностью эталона: 0,01 мкм, отсчитываются с той же точностью в соответствии с поправками блока памяти поправок /19/. При этом штрихи измерительной линейки м, дцм, см, мм и т.д. находятся в весьма слабой зависимости от штрихов минимального интервала длины измерительной линейки, т.е. на измерительной линейке, уменьшенной о помощью фотографирования в 40 раз, можно найти соответствующий штрих, удовлетворяющий вышеуказанным требованиям с учетом смещения точной установки штриха нониусной шкалы в соответствии с поправками блока памяти поправок /19/. Смещения точки точной установки штриха нониусной шкалы при измерении заданного интервала длины с помощью нониуса, значения которых записаны в блок памяти поправок /19/, соответствуют долям минимального условного интервала длины при измерении с помощью нониуса: 0,25 мкм, например,: Δ _{смещения}=1/2· /0,1÷ 0,01/· Δ _{шир.штр.} соответствует измерению интервала длины, примерно,: 0,25 мкм÷ 0,01 мкм.

Получим необходимое число делений в соответствии с ценой деления: n’₁=10 /м/, n’₂=5 /дцм/, n’₃=5 /см/, n’₄=5 /мм/, n’₅=7· /0,1 мм/, n’₆=8· /10^-2 мм/, n’₇=9· /10^-3 мм/, n’₈=1· /10^-4 мм/.

При этом число делений в соответствии с ценой деления предлагаемого изобретения: n’’₁=10, n’’₂=5, n’’₃=5, n’’₄=5,

При расчете n’’₈ величина: 0,1 введена в знаменатель с учетом смещения точки точной установки штриха нониусной шкалы при измерении заданного интервала длины с помощью нониуса.

Получим при пересчете вышеуказанных чисел делений в соответствии с ценой деления предлагаемого изобретения необходимые числа отсчета минимальных интервалов измерения предлагаемого изобретения или его меньших частей в целочисленном выражении: n₁=10 /отсчет в м/, n₂=5 /отсчет в дцм/, n₃=5 /отсчет в см/, n₄=5 /отсчет в мм/, n₅=63 /отсчет в 1,25· 10^-2 мм/, n₆=6 /отсчет в 0,25· 10^-3 мм/, n₇=4 /отсчет в 0,25· 10^-4 мм/.

Переведем вышеуказанные числа отсчета соответствующих штрихов в шестиразрядный двоичный код: n₁: 010100, n₂: 101000, n₃: 101000, n₄: 101000, n₅: 11111, n₆: 011000, n₇: 001000.

При этом цена деления, соответствующая отсчету определенного числа штрихов, переключается в предлагаемом изобретении последовательно в функции номера кода /например, в вышеуказанном примере: 1÷ 7/. При отсчете только минимальных интервалов длины измерительной линейки, уменьшенной с помощью фотографирования в 40 раз, /Δ _{мин.инт.}=1,25· 10^-2 мм/ при измерении: 1-го мм необходим 7-ми разрядный двоичный код, 1-го см необходим 10-ти разрядный двоичный код, 1-го дцм необходим 13-ти разрядный двоичный код, 1-го м необходим 17-ти разрядный двоичный код.

Двоичные коды заданных интервалов длины в счетчиках числа штрихов основной и нониусной шкал появляются в результате воздействия входного импульсного напряжения, появляющегося из-за прохождения соответствующего числа штрихов основной и нониусной шкал механической частью автоматического измерителя. Вышеуказанные коды заданного интервала длины соответствуют входным кодам блоков /12, 15/, входы а, в, которые отсчитываются счетчиками числа штрихов с учетом кодовых поправок, поступающих на те же счетчики от блока памяти поправок /19/.

Кроме того, блоком памяти поправок /19/ через блок алгебраического суммирования /22/ заводятся соответствующие кодовые сигналы необходимых смещений точки точной установки штриха нониусной шкалы в блоки определения точного линейного значения заданного номера штриха основной и нониусной шкал /14, 17/. При последовательном воспроизведении вышеуказанных кодов в электронной памяти счетчиков числа штрихов основной и нониусной шкал происходит отсчет необходимого числа штрихов /блоки 12, 15/ в соответствии с ценой деления. При соответствующих совпадениях сигналов конец отсчета числа штрихов основной и нониусной шкал, появляющихся на выходе блоков /12, 15/ после прохождения всей последовательности кодов соответствующих цен деления, и соответствующих сигналов определения точного линейного значения заданного номера штриха от блоков /14, 17/ возникает в блоках совпадений заданного номера штриха основной и нониусной шкал и точного линейного значения данного штриха /13, 16/ сигнал окончания отсчета заданного интервала длины.

Взаимосвязи блоков предлагаемого изобретения.

На фиг.1 - упрощенная блок-схема отсчета штрихов интервалов измерительной линейки:

Блок фотоэлементов /1/, получая световые сигналы при прохождении штрихов основной шкалы измерительной линейки /3/ от оптического блока /2/, механически связанного с блоком фотоэлементов и дающего увеличение примерно в 100÷ 1000 раз измерительной линейки, уменьшенной с помощью фотографирования в 10 или 40 раз, выдает импульсы напряжения на вход счетчика числа штрихов измерительной линейки /4/, который отсчитывает кодовые сигналы в двоичном коде, соответствующие числу штрихов заданного интервала длины основной шкалы измерительной линейки. Подсветка штрихов основной шкалы измерительной линейки происходит осветительной лампой /5/.

На фиг.2 - блок-схема оптического блока автоматического измерителя.

Оптический блок автоматического измерителя установлен на станине и состоит из: основной шкалы измерительной линейки /3/, относительно которой передвигается передвижная каретка /8/ совместно с обрабатываемой деталью /9/, оптическим блоком основной шкалы /6/, оптическим блоком нониусной шкалы /7/, нониусной шкалой /10/, блоком фотоэлементов /11/. Оптический блок основной шкалы /6/ отличается конструктивно от оптического блока /2/, т.к. он механически связан с оптическим блоком нониусной шкалы /7/. Блоки 6, 7 совместно с блоком фотоэлементов /11/ могут передвигаться соответствующим механизмом относительно передвижной каретки /8/ и нониусной шкалы /10/.

Раздельный отсчет штрихов основной и нониусной шкал, уменьшенных с помощью фотографирования в 10 или 40 раз, происходит при помощи блока фотоэлементов, воспринимающих световые сигналы от оптических блоков основной и нониусной шкал с увеличением 100÷ 1000 раз изображения вышеуказанных шкал.

Выходы блока фотоэлементов /11/: f, q,, h, j выдают сигналы от фотоэлементов, несущих информацию о прохождении соответствующих штрихов измерительной линейки основной и нониусной шкал и находящихся в середине примененной конструкции, и от двух боковых фотоэлементов, несущих информацию о точности установки штриха основной и нониусной шкал при дифференциальном способе точной установки штриха /фотоэлементы разделены перегородками друг от друга/.

Кроме того, при телевизионном способе точной установки штриха выходы блока фотоэлементов /11/: q, j выдают информацию о изображении соответствующего штриха основной и нониусной шкал, получая ее от передающих телевизионных трубок вышеуказанных шкал, при этом телевизионные трубки конструктивно расположены в блоке фотоэлементов /11/. Следует заметить, что конструкция блока фотоэлементов /11/ - на фиг.2 отличается от конструкции блока фотоэлементов /I/ - на фиг.1.

На фиг.3 - блок-схема электронного блока автоматического измерителя.

Сигналы, идущие от оптических блоков основной и нониусной шкал /6, 7/ через блок фотоэлементов /11/ попадают в электронный блок автоматического измерителя: от фотоэлементов, несущих информацию о прохождении соответствующих штрихов измерительной линейки, сигналы попадают на счетчики числа штрихов основной и нониусной шкал /12, 15/; от двух боковых фотоэлементов, несущих информацию о точности установки штриха основной и нониусной шкал, или от передающих телевизионных трубок, несущих информацию о изображении соответствующего штриха основной и нониусной шкал, сигналы попадают в блоки определения точного линейного значения заданного номера штриха основной и нониусной шкал /14, 17/. После определения точного линейного значения заданного номера штриха выходной сигнал вышеуказанных блоков совместно с сигналами окончания счета числа штрихов заданного интервала длины основной и нониусной шкал блоков /12, 15/ попадает на блоки совпадений заданного номера штриха основной и нониусной шкал и точного линейного значения данного штриха /13, 16/. Выходные сигналы блоков /13, 16/ попадают на блок останова передвижной каретки /18/, который через импульсный усилитель /21/ дает сигнал останова передвижной каретки.

Блок памяти поправок /19/ через блок алгебраического суммирования /22/ выдает кодовые сигналы поправок для каждого штриха основной и нониусной шкал или любого сочетания положений штрихов основной и нониусной шкал относительно друг друга на счетчики числа штрихов основной и нониусной шкал /12, 15/ и кодовые сигналы определения точного линейного значения штриха /половины штриха или его меньшей части/ при телевизионном или дифференциальном способе точной установки штриха на блоки определения точного линейного значения заданного номера штриха основной и нониусной шкал /14, 17/. При помощи блоков памяти блоков /14, 17/ происходит при телевизионном способе точной установки штриха сравнение частей изображений соответствующих штрихов в вышеуказанных блоках /14, 17/ и при совпадении их с изображениями штрихов, идущих от передающих телевизионных трубок блока фотоэлементов /11/, дается сигнал определения точного линейного значения штриха /или его меньшей части/ основной и нониусной шкал на блоки /13, 16/.

Электронное табло /20/ выдает на табло кодовые сигналы соответствующих поправок линейных значений штрихов, идущих от блока памяти поправок /19/; значения заданных интервалов длины в десятичных знаках и их двоичном кодовом значении; значения заданных интервалов длины, соответствующих определенной цене деления, и т.д.

Следует отметить, что блок алгебраического суммирования /22/ производит суммирование заданных минимальных интервалов длины измерительной линейки и их поправок в соответствии с функцией распределения штрихов измерительной линейки и заданного кодового числа необходимого измерения определенного интервала длины и расчет числа штрихов, соответствующих определенной цене деления, при помощи блока памяти поправок.

Конструкция станины.

Согласно "Малой Советской Энциклопедии". Т.8. Издательство "Советская Энциклопедия". 1960 г., стр.1068:

"Станина - основная корпусная часть машины: литая, сварная или клепанная конструкция, в которой пространственно координируются /увязываются/ расположение и кинематические связи всех механизмов и частей данной машины, а также воспринимаются действующие усилия."

Вопросы терминологии.

Согласно терминологии, принятой в "Справочнике металлиста" А.П.Знаменский, Т.2 Госмавметиздат, 1933 г. - стр.105:

Точное расстояние по шкале линейки: "расстояние от середины нулевого штриха шкалы линейки до середины любого другого заданного штриха той же шкалы линейки в пределах шкалы линейки."

В описании предлагаемого изобретения в соответствии с вышеуказанным принято понятие: "точное линейное значение штриха" основной и нониусной шкал, являющееся более сокращенным /введенное понятие "линейное" означает, что заданный интервал длины измеряется по одной оси или принадлежит линейке/.

Некоторые вопросы "считывания" штрихов измерительной линейки, нанесения штрихов на шкалу измерительной линейки, точности установки штриха измерительной линейки, связей блоков автоматического измерителя.

Следует отметить, что нет необходимости в применении в предлагаемом изобретении фотоматериалов с разрешающей способностью, например, 4000 штр./мм для осуществления минимальной цены деления в предлагаемом устройстве: 0,25 мкм, т.е. нет необходимости в фотоматериалах, обеспечивающих отображение измерительной линейки, на шкале которой были бы нанесены штрихи с интервалами: 0,25 мкм.

В предлагаемом устройстве существуют 2-е шкалы: основная шкала и нониусная шкала, причем α _н - величина делений нониуса несколько меньше α _м - цены делений основной шкалы / поэтому наблюдается периодичность сдвига величины измерения по нониусу на n· Δ при совпадении соответствующих штрихов основной и нониусной шкал в функции номера штриха нониусной шкалы/.

где α - точность нониуса /см. Описание нониуса; учебное пособие для студентов МЭИ М., 1955 г./.

Например:

α _м=1 мм - цена делений основной шкалы

n=10 - число делений нониуса

Выбираем: α _н - величину деления нониуса такой, что при n_x делений нониуса =n, измеренный интервал длины в α _н равен: α _н·n, а для измерения того же интервала длины в α _м необходимо отсчитать по основной шкале n-1 делений: α _м/n-1/; α _н<α _м, при этом справедливо равенство:

α _н·n=α _м/n-1/.

Следовательно, в этом случае по нониусу можно отсчитывать десятые доли, мм:

при соответствующих совпадениях штрихов нониусной и основной шкал. Следует заметить, что в приведенном выше примере шкалы остаются почти прежними, а интервалы между штрихами не уменьшаются в 10 раз.

Число делений нониусной шкалы n может быть: 25; 50; 100; /см. Справочник металлиста, Т.2, А.П.Знаменский, 1933 г. - стр.113/. В предлагаемом изобретении: α _м=0,5 мм; n=50. При уменьшении измерительной линейки в 40 раз путем фотографирования получим:

Точность нониуса: /нониусная шкала также уменьшена в 40 раз путем фотографирования/

Таким образом, можно отсчитывать по нониусу интервалы длины через 0,25 мкм, которые можно считать условной ценой деления при измерении заданного интервала длины при помощи нониуса; отсчет через 0,25 мкм возможен при соответствующих совпадениях штрихов нониусной и основной шкал. При этом основная и нониусная шкалы почти одинаковы с минимальными интервалами приблизительно 1,25· 10^-2 мм и поэтому нет необходимости, например, иметь фотоматериалы с разрешающей способностью 4000 штр./мм, а достаточно иметь фотоматериалы с разрешающей способностью 90÷ 132 штр./мм.

Следует заметить, что при отсчете по нониусу половины штриха или его меньшей части /телевизионный способ точной установки заданного номера штриха/ необходима электронная память каждого штриха /или его части/ основной и нониусной шкал, которая может быть осуществлена при некоторой размытости изображения штриха /"размытость" становится заметной при определенном увеличении изображения штриха/ на фотоматериалах разной для каждого штриха, что осуществляется при применении фотоматериалов с разрешающей способностью порядка 90 штр./мм /,т.е. при этом не наблюдается повторений изображения каждого штриха или его меньшей части из всего множества штрихов измерительной линейки/.

Реализация установки штриха с точностью не хуже 10^-7÷10^-8 м осуществляется в предлагаемом устройстве телевизионным способом /см. ранее в описании/, при этом штрихи измерительной линейки не наносятся на шкалы с вышеуказанной точностью, а калибруются по эталонному измерителю длины, значения которых записываются в виде двоичного кода в электронную память предлагаемого устройства и воспроизводятся при необходимости блоком памяти поправок /19/, кроме того, каждому положению штриха /или части его/ нониусной шкалы относительно каждого штриха основной шкалы соответствует свой двоичный код записи в электронную память устройства при измерении заданного интервала длины.

Возможность установки штриха измерительной линейки с вышеуказанной точностью /10^-7÷10^-8 м/ при телевизионном способе точной установки штриха реализуется или соответствует промышленной применимости при соответствующих передающих телевизионных трубках, в которых электронный луч создает на мишени пятно диаметром: 10^-1÷10^-2 мм /см. "Телевидение" под редакцией П.В.Шмакова, Издательство Связи и Радио, Москва, I960 г. - стр.95/, и при осуществлении возможности так называемого безинформационного увеличения изображения штриха оптикой, обеспечивающее по ширине штриха на телевизионной трубке примерно 1000 элементов разложения в строке телевизионного изображения штриха или его меньшей части /см. Малая Советская Энциклопедия. Т.5, стр.1270 – микроскоп, Государственное Научное Издательство "Большая Советская Энциклопедия", 1959 г./.

"Размытость" изображения штриха или дифракционная картина изображения штриха не ухудшает точность установки штриха при телевизионном способе точной установки штриха с электронной памятью изображения штриха, с помощью которой происходит сравнение сигналов изображения штриха от схемы памяти и передающей телевизионной трубки.

Реализация работы счетчиков числа штрихов /12, 15/ происходит следующим образом: от блока фотоэлементов /II/ - выходы f, h на счетчики числа штрихов /12, 15/ поступают импульсные сигналы при прохождении механической части автоматического измерителя штрихов основной и нониусной шкал. В блоки 12, 15 через входы этих блоков а, в заводятся кодовые сигналы при соответствующем числе разрядов в двоичном коде, представляющие собой заданный код числа необходимого отсчета штрихов по измерительной линейке, которые соответствуют заданному для измерения интервалу длины. Счетчики числа штрихов блоков 12, 15, отсчитывая необходимое число штрихов, выдают код числа штрихов в двоичном коде, который при совпадении с заданным кодом числа штрихов в схеме совпадения кодов этих блоков выдает сигнал выхода блоков 12, 15, поступающий на блоки совпадений заданного номера штриха основной или нониусной шкал и точного линейного значения данного штриха /блоки 13, 16/. Следует заметить, что счетчик числа импульсов, возникающих при прохождении механической части автоматического измерителя штрихов измерительной линейки, являются преобразователем числа импульсов в 10-ом коде в число тех же импульсов при соответствующем числе разрядов во 2-ом коде.

Реализация работы блоков совпадений заданных номеров штрихов основной и нониусной шкал и точного линейного значения данных штрихов /13, 16/ происходит следующим образом: при совпадении сигналов в схеме совпадений сигналов блоков 13, 16 вышеуказанных выходных сигналов блоков 12, 15 и выходных сигналов блоков определения точного линейного значения заданного номера штриха основной или нониусной шкал 14, 17 схема совпадений этих сигналов блоков 13, 16 выдает выходные сигналы совпадения, которые дают команды на передвижение механической части автоматического измерителя и его останова, при этом задействуются блоки: 18 - блок останова передвижной каретки, 21 - импульсный усилитель.

Реализация работы блоков определения точного линейного значения заданного номера штриха основной или нониусной шкал /14, 17/ происходит следующим образом: на входы блоков 14, 17 подаются сигналы q, j от блока фотоэлементов /11/, являющиеся разностными сигналами от двух боковых фотоэлементов, отделенных друг от друга перегородками. При точной установке штриха вышеуказанных шкал разностный сигнал 2-х боковых фотоэлементов дает нулевой сигнал, который после преобразований /блоки 14, 17/ выдается на выходы этих блоков в виде положительного потенциала. Блоки 19, 20, 22 служат для отображения поправок и заведения поправок значений заданных номеров штрихов основной и нониусной шкал в соответствии с эталонным измерителем интервалов длины в блоки 12, 15, 14, 17. В те же блоки заводятся поправки значений штрихов измерительной линейки при телевизионном способе точного определения линейного значения заданного номера штриха в соответствии с эталонным измерителем интервалов длины. Поправки в виде сигналов изображения части заданного номера штриха заводятся в электронную память автоматического измерителя.

Все входящие в вышеперечисленные блоки функциональные блоки общеизвестны из уровня техники.

1. Автоматический измеритель заданного интервала длины при помощи нониуса, состоящий из станины, передвижного механизма передвижной каретки, основной шкалы измерительной линейки, отличающийся тем, что основная и нониусная шкалы измерительной линейки уменьшены относительно минимального интервала длины 0,5 мм с помощью фотографирования в 10 или 40 раз, дополнительно установлены оптические блоки основной и нониусной шкал измерительной линейки с коэффициентом увеличения, равным или более 1000, блок фотоэлементов, расположенный на передвижной каретке, механизм передвижения оптических блоков относительно передвижной каретки, счетчики числа штрихов основной и нониусной шкал измерительной линейки, блоки совпадений штрихов основной и нониусной шкал, блоки определения точного линейного значения штрихов основной и нониусной шкал, блок определения разностных сигналов; блок памяти поправок, в котором содержатся поправки относительно эталона в зависимости от номера штриха измерительной линейки основной и нониусной шкал, вводимые через блок алгебраического суммирования в счетчики числа штрихов основной и нониусной шкал измерительной линейки и блоки определения точного линейного значения штрихов основной и нониусной шкал.

2. Автоматический измеритель заданного интервала длины при помощи нониуса по п.1, отличающийся тем, что отсчет заданного интервала происходит непосредственно с измерительной линейки.

3. Автоматический измеритель заданного интервала длины при помощи нониуса по п.1, отличающийся тем, что автоматическое измерение заданного интервала длины осуществляется при помощи нониуса с помощью двух оптических блоков, соответствующих основной и нониусной шкалам, и блока фотоэлементов.