Технический расчет компенсатора нивелира

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Нивелир предназначен для геометрического нивелирования определения разности высот точек на местности посредством горизонтального визирного луча.

Возникают вредные для нивелира колебания при работе вблизи автомобильных и железных дорог, при работе на строительных площадках или на верхних этажах зданий, колебания могут быть вызваны резкими порывами ветра и т.д. и т.п.

Наклон нивелира также может меняться совершенно произвольно -нивелир крепится на штативе, а ножки штатива легко могут уходить в рыхлый грунт или в размягченный солнцем асфальт.

Качество изготовления компенсаторов также может быть совершенно разным. Зачастую отличная конструктивная идея сводится на нет отвратительным качеством изготовления в условиях коленной сборки или неграмотно, на скорую руку организованного производства. Поэтому при выборе нивелира большое значение имеют не только конструктивные особенности компенсатора, но и качество изготовления предлагаемых заводом-производителем приборов.

Для уменьшение времени подготовительных операций при проведения измерений необходима качественная работа компенсатора. Для выверки и юстировки компенсатора нужно разработать контрольно-юстировачный прибор. Для разработки прибора был выбран нивелир ЗН-ЗКЛ (производства «УОМЗа»), как нивелир пользующийся наибольшим спросом, благодаря лучшим сочетаниям цены и качества.



1. Изучение устройства нивелира

1.1 Назначение

Нивелир ЗН-5Л (в исполнении без лимба ЗН-5) предназначен для геометрического нивелирования - определения разности высот точек на местности посредством горизонтального визирного луча.

ЗН-5Л (ЗН-5) относится к нивелирам технической точности и может быть использован для создания высотной основы при топографических съемках, проведении изысканий, в строительстве и т.д.

1.2 Технические характеристики

Допустимая средняя квадратическая погрешность измерения превышения на 1 кмдвойного хода, мм 5

Допустимая средняя квадратическая погрешность измерения горизонтального угла, не более0,15°

Зрительная труба:

Увеличение 20^х

Угловое поле зрения 2°

Наименьшее расстояние визирования, м, не более'

Без линзовой насадки 1.2

с линзовой насадкой на объектив 0_;5

Диаметр входного зрачка, мм, не менее 30

Диаметр оправы объектива, мм 38

Коэффициент нитяного дальномера 100±1

Диаметр лимба, мм 107

Цена деления лимба 1°

Цена деления уровней:

круглого (установочного) 10'

цилиндрического 45"

1.3 Устройство и принцип работы

1.3.1 Малогабаритный нивелир ЗН-5 Л (ЗН-5) относится к глухим нивелирамтехнической точности

Основные преимущества описываемого нивелира: малая масса и размеры, простое устройство. Обеспечивающее высокую надежность в работе. Он удобен дня работы в различных условиях: на строительных площадках, где вибрации механизмов не влияют на показания нивелир (в отличие от нивелиров других типов), в экспедиционных условиях при изысканиях в труднодоступных районах, в сельском хозяйстве и т. д.

Удобство в работе обеспечивается оптимальной конструкцией наводящего устройства, расположением рукояток управления и уровней, подсветкой цилиндрического уровня и т. п.

Нивелир имеет высококачественную зрительную трубу прямого изображения с внутренней фокусировкой. Для снижения влияния одностороннего нагрева на величину угла iзрительная труба и цилиндрический уровень помещены внутри корпуса 12 (рисунок 1) верхней частиприбора.

Объектив 11 зрительной грубы выведен наружу, на его оправу можно надеть линзовую насадку для визирования на рейку, расположенную ближе 1.2 м.

Вращением диоптрийного кольца 1 (рисунок 2) окуляр устанавливают по глазу до появления четкогизображения сетки нитей. Кремальерой 2 зрительную трубу фокусируют при наведении на рейку.



1-заглушка; 2-зеркало; 3-юстировочная гайка; 4-белый экран; 5-юстированные винты круглого уровня; 6-круглый уровень; 7-подъемный винт; 8-подставка; 9-наводящий винт; 10-корпус низка; 11-обьектив; 12-корпус; А- продольный прилив(механический визир)

Рисунок 1 - Общий вид нивелира

1-диоптрийное кольцо; 2-кремальера; 3-элевационный винт; 4-металлический лимб; 5-индекс; 6-гайка Рисунок 2- Нивелир



На верхней плоскости корпуса 12 (смотри рисунок 1) имеется продольный прилив А, выполняющий роль механического визира для предварительного наведения нивелира на рейку.

Цилиндрический уровень подсвечивается белым экраном 4. Зеркало 2 служит для удобства наблюдения за положением пузырька уровня.

Угол i-непараллельность оси цилиндрического уровня визирной оси зрительной трубы) приводят к нулю юстировкой уровня с помощью двух гаек 3, доступ к которым открыт через окно.

Верхняя часть нивелира связана с корпусом низка 10 безлюфтовым пружинным шарниром и может наклоняться относительно низка с помощью элевационного винта 3 (смотри рисунок 2).

Осевая система нивелира расположена внутри корпуса 10 (рисунок 1), снабжена червячной передачей и фрикционным устройством, позволяющим свободно вращать нивелир вокруг оси и в то же время выполнять точное наведение на рейку без ограничения угла поворота.

Рукоятки наводящего винта 9 расположены по обе стороны прибора, что делает одинаково удобной работу как правой, так и левой рукой.

Ни верхней плоскости корпуса низка находится круглый уровень 6 для установки оси нивелира в отвесное положение. Юстировку круглого уровня выполняют винтами 5.

Между корпусом низка и подбавкой 8 в нивелире ЗН-5Л расположен металлический лимб 4 (смотри рисунок 2), который можно вращать, взявшись за накатанный поясок и установить в требуемое положение. Отсчет по лимбу берут с помощью индекса 5. При вращении нивелира лимб остается неподвижным (в нивелире ЗН-5 лимба нет).



1-тргер; 2-винт Рисунок 3- Нивелир (вид снизу)

Подъемными винтами 7 (смотри рисунок 1) ось нивелира устанавливают отвесно, заводя пузырек круглого уровня на нуль-пункт. Подъемные винты связаны с трегером 1 (рисунок 3) подсевки / сферическими шарнирами. Винтами 2 регулируют ход подъемных винтов. В центре трегера находится резьбовое отверстие длясоединении нивелира со штативом.

1.4 Подготовка нивелира к работе

1.4.1 Развертывание и установка комплекта

-развернуть и зафиксировать рейки, установить их на нивелирных знаках (реперах или марках), исходя из условия, что длину визирного луча не рекомендуется брать больше 100 м, а высоту луча над подстилающей поверхностью - менее (0,2 м):

-отстегнуть ремешок, стягивающий ножки штатива, и выдвинуть их на нужную длину;

-установить штатив на равном расстоянии от реек (неравенство плеч на станции допускается не более 5 м), следя за тем, чтобы плоскость его головки расположилась горизонтально, а высота соответствовала росту наблюдателя;

-длину плеч измерить нитяным дальномером;

-открыть футляр и взявшись за низок, осторожно извлечь нивелир;

-закрепить нивелир на штативе и подъемными винтами вывести пузырек круглого уровня на нуль-пункт;

-проверить юстировку крутого уровня

1.5 Порядок работы

1.5.1 Измерение превышений по двухсторонней рейке

Навести зрительную трубу на черную сторону задней рейки и после приведения пузырька цилиндрического уровня элевационным винтом к нуль-пункту взять отсчеты но верхней и средней нитям сетки зрительной трубы; навести зрительную трубу па черную сторону передней рейки, элевационным винтом вывести пузырек цилиндрического уровня на нуль-пункт, взять отсчеты по верхней и средней нитям.

После этого рейки развернуть красными сторонами к нивелиру и взять отсчеты по средней нити сетки сначала передней, а затем задней рейки. Результаты наблюдений на станциях записывают в журнал. При использовании односторонней рейки порядок измерения остается таким же, но вместо разворота рейки второй стороной изменить горизонт прибора (вращением подъемных винтовна 2-3 оборота в ту или другую сторону вывести пузырек круглого уровня на нуль-пункт).

1.5.2 Измерение расстояний

Расстояния измеряют с помощью нитяного дальномера по рейке непосредственно во время нивелирования, определяя длину Lотрезка рейки, заключенного между дальномерными штрихами сетки нитей зрительной трубы. Учитывая, что коэффициент дальномера К=100, измеренное расстояние S=100, т. е. число сантиметровых делений рейки, вписавшихся между дальномерными штрихами сетки, соответствует измеренному расстоянию в метрах.



1.6 Юстировка нивелира

1.6.1 Регулировка зеркала уровня

Если зеркало уровня не сохраняет приданного ему положения, следует увеличить трения в шарнире. Для этого необходимо вынуть заглушку 1 (смотри рисунок 1), вывинтить шпильку, являющуюся осью вращения зеркала, снять зеркало и осторожно развести отверткой боковые проушины шарнира. Вставить зеркало шарниром в кронштейн, совместить отверстия шарнира и ввести в него шпильку. Закрыть отверстие заглушкой. Это исправление лучше выполнить в мастерской.

Юстировку круглого уровня проводить юстировочными винтами

Устранение остаточных смещений штатива и подставки. Для устранения остаточных смещений штатива затянуть гаечным ключом болты в шарнирах головки.

При недостаточной устойчивости подставки необходимо отрегулировать ход подъемных винтов с помощью винтов 2 (смотри рисунок 3). Если эта регулировка не дает результата, необходимо вывинтить подъемные винты до упора и отрегулировать их ход регулировочными стопорными винтами, расположенными на цилиндрических приливах подставки (головки винтов не окрашены). Перед регулировкой хода этими винтами, винты 2 должны быть отпущены, а после окончания регулировки затянуты так, чтобы ход подъемных винтов несколько затяжелился.

Устранение наклона сетки нитей зрительной трубы. Вывинтить стопорный винт и слегка освободить гайку 6 вращением окуляра выправить наклон сетки. Осторожно зажать гайку б и законтрить ее стопорным винтом.

Параллельность оси цилиндрического уровня визирной оси зрительной трубы достигается котировочными гайками 3 (смотри рисунок 1). Шпилькой из комплекта нивелира, отпуская одну гайку и затягивая другую, вывести пузырек цилиндрического уровни на середину, после того как элевационным винтом по дальней рейке установлен отсчет, равный а₂ '.

2. Требования к оптическим приборам технического контроля

2.1 Достаточная чувствительность и точность

Оптические приборы технического контроля (ОПТК) должны обладать достаточной чувствительностью индикации и точностью. Если ОПТК имеет случайную погрешность Ек и задана допустимая погрешность юстируемого прибора Ею, то квадрат суммарной погрешности будет равен:

E_SS~2= Е ю^ + Е к2^

отсюда

Ек2=Е^-ЕюХ

Выражая погрешность ЕSчерез Ею, получим:

ES= Ею + с Ею,

где с - относительная погрешность в процентах или долях погрешности Ею .

Тогда найдем:

Ек 2 =(Ею + с Ею )2 - Ею 2 = 2с Ею2 + с2 Ею 2 = Е ю2 (2с +с2).

Окончательно получим:

Ек = Ею О 2с +с2



Например, если с =0,1, то

Ек - Ею б 0,2 + 0,01 = 0,458 Ею =45,8%Ею

Можно вычислить допустимую погрешность ОПТК и правильно выбрать класс точности ОПТК, если известна допустимая погрешность

2.2 Стабильность поверки оптических приборов технического контроля

Если стабильность ОПТК недостаточна, то предусматривается поверка ОПТК с записью результатов поверки в специальном журнале. Погрешности, выявленные при поверке, либо устраняются, либо учитываются как поправки при юстировке.

Высокую стабильность обеспечивают инвариантные (не расстраивающиеся) и самоустанавливающиеся ОПТК. Схемы и устройство инвариантных и самоустанавливающихся ОПТК будут рассмотрены при изучении конкретных операций юстировки и контроля.

2.3 Схемы и конструкции оптических приборов технического контроля

При разработке специальных ОПТК либо использовании универсальных или унифицированных ОПТК необходимо выбирать простые, лучше всего инвариантные и самоустанавливающиеся схемы. Они позволяют расширить допуски на погрешности элементов конструкции и упростить конструкцию ОПТК.



2.4 Подготовка к работе и пользованию оптическими приборами технического контроля

В производственных условиях простота подготовки ОПТК к работе сокращает общие затраты времени и средств на проведение операций юстировки и стоимость ОПТК.



3. Обзор методов юстировки

Различают 2 метода юстировки:

дифференцированный метод

укрупненный метод

3.1 Дифференцированный метод

При дифференцированном методе оптический прибор делится на предельно мелкие, но независимые в сборке и юстировке сборочные единицы, а процесс юстировки подразделяется на операции по юстировке и контролю независимых сборочных единиц и узлов. Каждая независимая сборочная единица юстируется автономно в соответствии с техническими требованиями (техническими условиями) на соответствующую сборочную единицу (сб. ед.) или узел.

Формальным признаком независимости сб. ед. является равенство числа реальных наложенных связей числу необходимых наложенных связей. Число реальных связей зависит от конструкции сб. ед. и точности обработки, сборки и юстировки сб. ед. Точность определяется точностным расчетом. Число необходимых наложенных связей определяется числом пространственных передаточных коэффициентов /ПИК/, отличных от нуля. Допуски на юстировку рассчитываются из условий взаимозаменяемости

3.2 Укрупненный метод

Укрупненный метод характеризуется тем, что конструкция ОП не делится на мелкие независимые сб. ед., но состоит из крупных узлов "насыпной конструкции", в которых отдельные сборочные единицы не юстируются, но производится юстировка узла в целом. При этом погрешности изготовления и юстировки отдельных мелких сб. единиц и узлов компенсируются другими деталями, сб. единицами и узлами. Как известно, в системах параметры отдельных конструктивных элементов преобразуются в параметры системы, имеющие другую физическую природу и другую размерность (например, фокусные расстояния объектива и окуляра преобразуются в увеличение). Поэтому компенсация носит сложный и неявный характер, что создает неопределенность в процессе юстировки (непредсказуемость результата котировочных операций).

3.3 Преимущества и недостатки обоих методов

Дифференцированный метод обладает следующими положительными качествами:

- позволяет упростить сборку ОП из отъюстированных сборочных единиц без дополнительной юстировки. Сборка сводится к простому соединению сборочных единиц и штифтовки (фиксации).

обеспечивается взаимозаменяемость сборочных единиц, что исключает селекцию, дополнительные операции пригонки и регулировки, облегчает ремонт ОП;

сборочные и котировочные операции простых сборочных единиц и узлов осуществляется легче благодаря доступности регулировочных средств и могут проводиться менее квалифицированными рабочими;

использует более простые специализированные приспособления и приборы;

позволяет вести параллельную сборку и юстировку одних и тех же операций несколькими рабочими, что позволяет повысить производительность сборочных участков.

Недостатками дифференцированного метода являются:

необходимость большего числа рабочих мест и большей производственной площади;

- необходимость более высоких требований и жестких допусков на юстировку для обеспечения взаимозаменяемости;

Преимуществами укрупненного метода являются:

более низкие требования к юстировке;

меньшая производственная площадь для сборки и юстировки;

- меньшая по сравнению с дифференцированным методом численность рабочих для выпуска одинакового количества ОП.

Недостатками укрупненного метода являются:

- необходимость более высокой квалификации рабочих;

- опасность возникновения скрытых дефектов юстировки отдельных сборочных единиц вследствие взаимной компенсации дефектов сборочных единиц;

- более низкая производительность производственных участков;

- отсутствие взаимозаменяемости сборочных единиц и трудность ремонта ОП, собранных и отъюстированных укрупненным методом.

Дифференцированный метод находит применение в массовом и крупносерийном производстве.

Укрупненный метод используется в индивидуальном, мелкосерийном и опытном производствах. Но в опытном производстве он должен применяться под контролем ведущего конструктора, чтобы выявить скрытые недостатки конструкции.



4. Демпфер

Демпфер - это устройство, предназначенное для гашения колебаний различного типа, в том числе и механических. В применении к нивелирам этот технический термин стал использоваться сравнительно недавно - вместе с появлением оптико-механических компенсаторов, получивших наибольшее распространение. Кстати, первый в мире нивелир с компенсатором был изготовлен в СССР в 1946 году.

Появились автоматические нивелиры - появилась и потребность быстро гасить колебания маятниковой подвесной системы компенсатора. Колебания, которые необходимо гасить - это механические колебания призмы или зеркала между призмами - в зависимости от конструкции компенсатора. Например, призма подвешивается в нивелирах ЗНЗКЛ производства УОМЗ, а зеркало - в нивелирах С410 производства фирмы SOKKIA. И призма, и зеркало подвешиваются внутри компенсатора с одной-единственной целью -чтобы постоянно сохранять горизонтальное положение при любом наклоне нивелира в пределах определенного диапазона. Будет обеспечено строго горизонтальное положение свободно подвешенного кусочка оптического стекла - значит, будет обеспечено и качество строительных или геодезических работ. Из-за неверно определенной высоты не придется заливать лишние кубометры бетона или переделывать трассу ливневой канализации. нивелир оптический прибор компенсатор

Возникают вредные для нивелира колебания при работе вблизи автомобильных и железных дорог, при работе на строительных площадках или на верхних этажах зданий, колебания могут быть вызваны резкими порывами ветра и т.д. и т.п.

Наклон нивелира также может меняться совершенно произвольно -нивелир крепится на штативе, а ножки штатива легко могут уходить в рыхлый грунт или в размягченный солнцем асфальт. Во всех этих случаях начинает выполнять свою работу устройство под названием "компенсатор", одним из узлов которого является демпфер.

4.1 Оптические нивелиры с магнитным и с воздушным демпфером маятниковой системы компенсатора

В настоящее время наибольшее распространение получили оптические нивелиры с магнитным и с воздушным демпфером маятниковой системы компенсатора.

4.2 Гашение колебаний магнитным демпфером

При работе с нивелиром, так же как и с другими оптическими приборами, изображение объекта передается на сетчатку глаза человека через оптическую систему прибора. Пройдя через объектив, луч попадает на приемную призму. Затем луч преломляется приемной призмой и попадает на горизонтально расположенное зеркало. Отражаясь от зеркала, луч попадает на передающую призму, а затем на окуляр (рисунок 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/



И приемная, и передающая призмы жестко закреплены в корпусе компенсатора, следовательно, жестко соединены с корпусом нивелира. Если нивелир наклоняется - наклоняются и объектив, и окуляр, и призмы. Зеркало, наоборот - свободно подвешено в компенсаторе на четырех торсионах-ленточках и при наклонах прибора каждый раз стремится занять горизонтальное положение, корректируя оптические лучи. Представьте себе обычный отвес, подвешенный на ниточке? Если его случайно задеть, то раскачиваться он будет довольно долго. Если придержать его рукой -остановится отвес значительно быстрее. Рука в этом случае выполняет роль демпфера. Так же раскачивается и зеркало, свободно подвешенное внутри компенсатора. Поэтому корпус зеркала конструктивно выполнен в виде маятника, который совершает колебания при наклонах и перемещениях прибора. Верхняя часть маятника изготавливается из магнитных материалов, например, из стального сплава. На определенном расстоянии от верхней части маятника в корпусе компенсатора жестко закреплен постоянный магнит, который и гасит колебания качающегося рядом с ним маятника, следовательно, - зеркала.

Конструктивно компенсаторы с магнитным демпфером могут быть изготовлены по-разному, но принцип их работы один - гашение колебаний происходит с помощью магнитного поля. Каждый раз, когда маятник проходит мимо кусочка магнита, магнитное поле тормозит его движение - и так несколько раз до полной остановки маятника. Таким образом, под действием магнитного поля происходят быстрое гашение колебаний зеркала и соответствующая стабилизация изображения в поле зрения нивелира. Характерным представителем автоматических нивелиров с магнитным демпфированием является серия нивелиров С300 фирмы Sokkia.



4.3 Принцип работы компенсатора с воздушным демпфером

Принцип работы компенсатора с воздушным демпфером тот же - есть призма или зеркало, которые в подвешенном состоянии всегда стремятся занять горизонтальное положение. Точно так же корпус призмы или корпус зеркала конструктивно изготавливается в виде маятника, совершающего колебания при наклонах нивелира. Только в этом случае магнитное поле в работу компенсатора не вмешивается. Гашение колебаний происходит с помощью груза, расположенного в нижней части маятника. Чем больше масса груза - тем большей инерцией обладает маятник, тем сложнее его раскачать. Конечно же, все маятниковые системы оптико-механических компенсаторов очень тщательно рассчитываются - иначе такая система просто не будет работать. Типичный нивелир с воздушным демпфером - это нивелир VegaL30 производства фирмы SETL.

Какой именно нивелир предпочтительнее использовать - с магнитным или воздушным демпфером - правильнее всего будет решить непосредственно исполнителю в зависимости от типа выполняемых работ, требуемой точности, места проведения работ и многих других факторов. Например, при проведении работ, требующих технической точности, очень хорошо зарекомендовали себя нивелиры с магнитным демпфером. При проведении работ, требующих использования точных нивелиров, часто отдают предпочтение приборам с воздушным демпфером.

Не стоит забывать, что конструктивно демпфирующие устройства - как воздушные, так и магнитные, могут быть выполнены по-разному. Качество изготовления компенсаторов также может быть совершенно разным. Зачастую отличная конструктивная идея сводится на нет отвратительным качеством изготовления в условиях коленной сборки или неграмотно, на скорую руку организованного производства. Поэтому при выборе нивелира большое значение имеют не только конструктивные особенности компенсатора, но и качество изготовления предлагаемых заводом-производителем приборов.



5. Изучение устройства нивелиров с компенсаторами и их исследования

Цель: изучить конструктивные особенности компенсаторов, порядок неполной разборки и сборки нивелиров с компенсаторами, основные неисправности и их устранение; исследовать параметры компенсатора: время затухания t_kдиапазон работы компенсатора v_k, случайную погрешность компенсатора (среднюю квадратическую погрешность) m_k, систематическую погрешность работы компенсатора O_k.

Приборы и принадлежности: нивелир типа Н-ЗКЛ (НИК-2), реечка с миллиметровыми делениями шкалы, секундомер, набор часовых отверток, шпилька, три деревянные палочки, вата, спирт, бензин, веретенное масло, ветошь.

Главное условие нивелира с компенсатором: визирная ось в пределах работы компенсатора должна быть горизонтальна в момент визирования на рейку.

При наклонах зрительной трубы в пределах работы компенсатора визирная ось должна соответствовать горизонтальному положению. В настоящее время наибольшее распространение получили схемы с оптико-механическими компенсаторами.

Принцип действия оптико-механического компенсатора показан на рисунке 5. Здесь: при горизонтальном положении визирная ось проходит через точку П на рейке, центр объектива (главную точку Н объектива) и перекрестие сетки нитей С. Однако, во время работы с прибором зрительная труба может наклониться на угол g, поэтому отсчет П будет смещен относительно перекрестия сетки нитей и составитП\.

Компенсатор, установленный в точке К, приводит изображение точки П автоматически в перекрестие сетки нитей С,. При этом выполняется основное уравнение компенсации (1). Из геометрии видно, что:



fsinу = SsinR (1)

Рисунок 5- Схема оптико-механического компенсатора

При расчетах схем компенсаторов, из-за малого значения углов уир\ используют уравнение вида:

fy=sp

Чтобы получить необходимый для компенсации угол |3 при наклоне зрительной трубы на угол у, в большинстве случаев используют маятниковые системы подвески компенсаторов, и которых оптическая деталь (призма, зеркало или линза) подвешена или на тонких бериллиевых нитях, модуль нормальной упругости которых равен 31000 кг/мм , или на плоской пружине (как в нивелирах НИК-2 й НИК-2М).

И настоящее время известны схемы нитяных подвесок компенсаторов, изображенные на рисунке 2. На схемах приведен коэффициент механической компенсации

К_м = р/у.



В общем случае для схем подвесок, приведенных на рисунке 2, получена приближенная формула для расчета К_м в зависимости от геометрических размеров подвески и положения центра тяжести:

К_м= 4ab ²c/4b ²с²+c(a-c)³+4hL(a-c)² (3)

где а = АВ, с=СД, в =АД=ВС - для подвесок на параллельных нитях и виде трапеции, в= АС= ДВ - для подвесок на скрещивающихся нитях; h-расстояние между основанием СД подвески и корпусом АВ,

2(с-а)² (4)

L- расстояние от центра тяжести подвешенной части до основания СД (положительно, если центр тяжести находится ниже основания СД, отрицательно, если центр тяжести выше основания СД). Знак " + " в формуле (2) соответствует подвескам на параллельных нитях, знак " - " -подвескам на скрещивающихся нитях.

Рисунок 6- Схемы нитяных подвесок компенсаторов: а, в, г - обратный шарнирный четырехугольник; б, д, е - прямой шарнирный четырехугольник

В соответствии с уравнением (1) работает и схема с жидкостным компенсатором, приведенная на рис. 7.

Рисунок 7- Принципиальная схема работы жидкостного компенсатора



1,3 - призмы АР-90"; 2 - кювета с жидкостью, содержащей 1,4-1,8% этилового спирта и 98,6-98,2% бензилацетата

Преимущество схемы состоит в том, что она может стабилизировать ось в пространстве сразу по двум координатам. Жидкостной компенсатор используют в лазерных нивелирах, приборах вертикального проектирования и электронных тахеометрах.

Рассмотрим принципиальную схему с линзовым компенсатором (рисунок 1)

Компенсатор представляет собой положительную 2 и отрицательную 1 линзы. Линза 1 жестко скреплена со штангой 3, подвешенной на нитях. Линза 2 закреплена в оправе объектива.

Линзы компенсатора имеют фокусные расстояния, отличающиеся между собой на значение зазора между ними, что позволяет не нарушать телескопичность зрительной трубы при смещении отрицательной линзы компенсатора.

Уравнение компенсации для этой схемы имеет вид:

f//=a/b=KK'=K, (5)

где f- фокусное расстояние объектива; а = АВ - расстояние между точками закрепления нитей к трубе; b= ED- расстояние между точками закрепления к рычагу 3; / - расстояние от главной точки подвижной линзы компенсатора до середины между точками Е и Д крепления нитей к рычагу 3; К' - постоянный коэффициент, зависящий от упругости нитей, нагрузки на них и положения центра тяжести нагрузки; К_м = р7у= 2,3 -коэффициент механической компенсации.

Схема с линзовым компенсатором использована в нивелире НСМ-2А.

На рисунке 8 приведена принципиальная схема нивелира Ni-007 предприятия "Карл Цейс" с компенсатором маятникового типа. Умножительная призма 5 при наклоне зрительной трубы на угол gсмещает визирный луч на значение А = (у, уравнение компенсации для данного компенсатора имеет вид:

l=f/2

1 - пентапризма; 2 - объектив; 3 - фокусирующая линза; 4 - призма-крыша(служит для получения прямого изображения); 5 - призма БР-180"; 6 - маятник;7 - сетка нитей; 8 - окуляр; 9 - защитное стекло. Оптическая схема отсчитывания по лимбу не показана Рисунок 8- Принципиальная схема нивелира Ni-007

Диапазон работы такого компенсатора порядка ±10'. Поворачиваемая пентапризма 1 служит оптическим микрометром.

На рисунке 9 показаны принципиальная схема и принцип работы призменного компенсатора; подвешенного на бериллиевых нитях.



1 - объектив; 2 - фокусирующая линза; 3 - призма-компенсатор;4 - бериллиевые нити; 5 - призма АР-90°; 6 - сетка нитей; 7 - окуляр;8 - воздушный демпфер

Рисунок 9- Принципиальная схема (а) и схема действия (б) призменного компенсатора

Эту схему используют в точных нивелирах типа НЗК. Здесь К_м< -1. При наклоне зрительной трубы на угол/gперекрестие сетки нитей С смещается в положение Q. Компенсатор сдвигает изображение правильного отсчета П в новое положение перекрестия сетки нитей на значение.

А=А]+А₂ (7)

Полагают , что, из-за малости угла наклона у, изменение расстояний / и Sмало, и записывают уравнение компенсации в виде:



fy=21K_My + 2Sa(K_M+l) (8)

К_м = f-2S/2(/+# (9)

Задаваясь значениями f, Sи /, вычисляют геометрические размеры подвески компенсатора. Для нивелира Н-ЗК значения К_м = 2,62 :/: 3,143. При сборке прибора изменяют значение Sдо тех пор, пока погрешность компенсации не будет минимальна.

На этом принципе разработаны схемы нивелиров ЗН-ЗКЛ (рисунок 10) и 4Н-2КЛ (рисунок 11).

Рисунок 10- Принципиальная схема нивелира ЗН-ЗКЛ



В нивелире 4Н-2КЛ (смотри рисунок 11) световой поток через клин 1 (служит для исправления главного условия нивелира) попадает на объектив 2 и через него на плоское зеркало 3 (компенсатор), изображение предмета получают в плоскости сетки нитей, выгравированной на плоской поверхности призмы 4, призма 4 приклеена к плоской поверхности линзы объектива 2. Изображение предмета рассматривается через микроскоп с увеличением 30^х, состоящий из пентапризмы 5, микрообъектива 6, полевой диафрагмы 7 и окуляра 8. Фокусировку по предмету осуществляют перемещением оправы 12 вместе с компенсатором 3. Зеркало-компенсатор подвешено на нитях, при этом коэффициент механической компенсации выбирают в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 2, в. При совмещении главной плоскости объектива 2 с плоскостью сетки нитей может быть применена схема, приведенная на рисунке 2, а. Для устранения систематической погрешности компенсации предусмотрена возможность регулировки зазора L(смотри рисунок 8).

На рисунке 12 показан функциональный блок призменного маятникового типа компенсатора нивелира Н-ЗКЛ, на рисунке - ход лучей в его призмах.1 - призма АР-90 (расположена за призмой 2); 2 - призма БР-180"; 3 - призма компенсатора БР-180⁰; 4 - призма АР-90°; 5 - маятник;6 - четыре бериллиевые нити; 7 - балансир для регулировки чувствительности компенсатора; 8 - корпус блока компенсатора; 9 - три регулировочных винта стакана 10 демпфера; 11 - регулировочный винт чашки; 12 демпфера; 13 - ось ограничивающая маятник от разворотов в горизонтальной плоскости и обрыва нитей; 14 - четыре отверстия крепления блока компенсатора к корпусу трубы; 15 - кронштейн для крепления призмы 4; 16 - винт устранения систематической погрешности работы компенсатора; 17 - гайка балансира



Рисунок 12- Компенсатор нивелира 3Н3КЛ

Расчет компенсатора выполняют согласно уравнению (5).

Перемещение подвижной детали компенсатора, как в нивелире 4Н-2КЛ, автоматически исключает возможное при фокусировании колебание визирной оси.

В процессе измерений на нивелиры оказывают влияние вибрации почвы, ветер, перемещения наблюдателя и другие динамические нагрузки. Указанные факторы вызывают колебания чувствительного элемента компенсатора и затрудняют процесс измерений.



1,4- призмы АР-90"; 2 - призма БР-180⁰; 3 - призма БР-180⁰ (компенсатор)

Рисунок 13- Ход лучей в призменной системе компенсатора нивелира Н-ЗКЛ

ГОСТ 10528-76 регламентирует время затухания t_Kпродолжительность свободных колебаний или до полного успокоениячувствительного элемента, или до таких его амплитуд, которые не влияют на точность отсчитывания (не воспринимаются глазом наблюдателя).

Для геодезических приборов в основном используют три ниш демпферов, гасящих колебания: воздушные (крыльчатые и поршневые (например, в нивелире Н-ЗКЛ)), жидкостные и магнитоиндукционные (например, в нивелире 4Н-2КЛ).

Ось 1 нивелира (рисунок 14) с двух сторон опирается на закаленные полированные шайбы 2 и 4, плавность поворота ее во втулке 3 регулируют зажатием гайки 5. Для уменьшения силы трения во втулке 3 делают выборку 6. Доступ к осевой системе нивелира осуществляют после отделения подставки, вывинчивания стопорного винта гайки 5 и самой гайки, а также четырех винтов основания.



Рисунок 14- Осевая система нивелира Н-ЗКЛ

Для регулировки выполнения главного условия и углового смещения сетки нитей необходимо снять защитный колпачок, легко обхватив его и вращая против хода часовой стрелки.

Невыполнение главного условия в нивелире Н-ЗКЛ исправляют смещением сетки нитей в вертикальной плоскости двумя винтами, расположенными над и под оправой окуляра (в нивелире Н-ЗК с одной стороны оправа сетки нитей подпружинена). При этом для смещения сетки нитей, например, вниз необходимо ослабить нижний винт примерно на четверть оборота, затем довернуть верхний винт примерно на столько же, одновременно наблюдая за смещением изображения рейки с горизонтальной нити до правильного отсчета, вычисленного при выполнении поверки главного условия нивелира. По окончании юстировки оба винта должны быть затянуты и повторно выполнена поверка.

Смещение сетки нитей от отвесной линии исправляют разворотом оправы окуляра после ослабления четырех винтов крепления в пределах предусмотренных для этого пазов, например, по отвесу - по вертикальной нити, или по удаленной точке предмета - по смещению ее с горизонтальной нити (смещение должно быть не более, чем три толщины нити).

Для юстировки чувствительности компенсатора снимают крышку, затем, придерживая отверткой балансир 7, вращают гайку 17 (смотри рисунок 11).

Для ремонта компенсатора необходимо снять заштифтованную крышку вместе с окуляром, вывинтив для этого соответствующие винты крепления крышки.

Исправление систематической погрешности работы компенсатора осуществляют ввинчиванием или вывинчиванием отверткой винта 16, тем самым изменяя расстояние S.

Корпус блока компенсатора 8 закреплен четырьмя винтами (два из них работают и как штифты - необходимо запомнить их расположение), вывинтив которые, можно снять блок компенсатора.

Натяжение бериллиевых нитей 6 исправляют, ослабив винт прокладки, при этом необходимо следить за тем, чтобы ось 13 при отвесном положении маятника 5 не касалась корпуса 8, исправляют только в мастерских.

Призмы блока компенсатора 1, 2, 4 жестко связаны с корпусом 8 (призмы 1 и 4 приклеены, призма 2 закреплена через прокладку двумя винтами), смещая призму 2, изменяют соотношение между fи/.

Регулировку зазора между стаканом и чашкой демпфера осуществляют, ослабив регулировочный винт 11.

Неисправность наводящего винта, как правило, возникает после ослабления закрепительного винта в рукоятке, что, как следствие, приводит к выталкиванию винта и смещению подпружиненной полугайки.

Ремонт наводящего винта и горизонтального круга осуществляют, вывинтив четыре винта крепления основания нивелира.

Методика регулировки плавности хода подъемного винта аналогична описанной выше в разделе 3

В нивелире Н-ЗКЛ определенную сложность вызывает замена и регулировка положения круглого уровня, закрепленного через толстую прокладку тремя винтами. Регулировка может быть выполнена одновременно с исследованием диапазона работы компенсатора в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом середина диапазона работы компенсатора должна соответствовать нулевому положению пузырька круглого уровня. Пузырек круглого уровня приводится в нулевое (верхнее) положение тремя исправительными (закрепительными) винтами.

На рисунке 15 приведена оптическая схема нивелира НИК-2М, разработанного на Изюмском приборостроительном заводе. Нивелир обеспечивает за счет введения оптического компонента 3 измерения на расстоянии до рейки от 0,5 м со средней квадратической погрешностью 2 мм на 1 км хода, диапазон работы компенсатора 20', систематическая погрешность компенсатора 0,3", увеличение зрительной трубы 31

1 - объектив; 2 - фокусирующий компонент; 3 -коллектор; 4,6 - призмы АР-90°; 5 -призма-крыша; 7 - сетка нитей; 8 - окуляр; 9 - выходной зрачок; 10 - бериллиевые нити; 11 - корпус; 12 - точки закрепления бериллиевых нитей

Рисунок 15- Оптическая схема нивелира НИК-2М

5.1 Исследование времени затухания компенсатора

Перед началом испытаний необходимо по круглому уровню отгоризонтировать прибор, затем легким постукиванием по корпусу прибора в районе окулярной части убедиться в работоспособности компенсатора. Если при постукивании наблюдают смещение горизонтальной нити с точки предмета, а затем ее возврат, компенсатор работоспособен. Значение времени затухания t_Kвыявляют по секундомеру из 10 измерений с погрешностью не более 0,5 с. Допускают время затухания не более 2с.



5.2 Исследование диапазона работы компенсатора

В полевых условиях нивелир устанавливают на штативе на расстоянии 70 - 75 м от трехметровой рейки, в лабораторных условиях используют реечку с миллиметровыми делениями, установленную на расстоянии примерно 10 метров. Один из подъемных винтов подставки располагают по направлению на рейку. Перед началом измерений определяют угол Р,на который наклоняют трубу нивелира при повороте подъемного винта на один полный оборот головки . Для этого подъемным винтом, установленным по направлению на рейку, наклоняют нивелир на такой угол, при котором компенсатор не работает. Отсчитывают по рейкеА^поворачивают подъемный винт в ту же сторону на один полный оборот и отсчитывают по рейке А₂. Угол наклона Р визирной оси вычисляют как

Р= (А₂ - A,/S)₎(10)

где S- расстояние от прибора до рейки в мм; р' = 3438'.

Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на http://www.allbest.ru/

При повороте винта на один шаг головки (выступ + впадина) прибор наклонится на угол

По круглому уровню нивелир предварительно горизонтируют (i= 0') и отсчитывают по рейке, затем соответствующим подъемным винтом нивелиру придают наклон каждый раз на один шаг, отсчеты по рейке записывают в табл. 1.

Изменение отсчета более, чем на 1 - 2 мм, свидетельствует о прекращении действия компенсатора.

При исследованиях следят за положением пузырька круглого уровня.

Из табл. 1 следует, что в диапазоне углов наклона v^_ ± 14,4' компенсатор работает. Согласно требований для нивелиров такого класса точности v> ± 15'. Более точно диапазон действия компенсатора определяют на экзаменаторе, пользуясь микрометренным винтом экзаменатора, а вместо рейки используя коллиматор с окулярным микрометром. Расширение диапазона работы компенсатора ухудшает точность ориентирования прибора относительно отвесной линии и увеличивает время затухания подвижного элемента.

5.3 Исследование случайной средней квадратической и систематической погрешностей работы компенсатора

При исследовании случайной и систематической составляющих погрешности работы компенсатора нивелир и рейку располагают аналогично предыдущему исследованию. Результаты записывают в таблица 2.

Оценку точности выполняют по следующим формулам:

m_k = V(SA2>V2h)p/S

e_k = Ab,-p"/sv'

где Abj- разность отсчетов по рейке для одного и того же угла наклона в прямом и обратном ходе

A_v- В_ср - Во,

A_v- разность средних отсчетов по рейке из прямого и обратного ходов при наклоне оси нивелира на угол vи при отсутствии наклона (v= О'), S-расстояние от нивелира до рейки, в полевых условиях выбирают, исходя из условия лучшей видимости наименьшего деления рейки:

S = 0.25w/J

где v- увеличение трубы; t- цена деления рейки; J= t/10 - видимое значение наименьшего деления рейки. При v= 30^х , t= 10 мм имеем S= 75 м.

При исследованиях по реечке с ценой деления 1 мм было выбрано расстояние S= 7033 мм.

5_Kcp=I5ki/n = -0,2"/'

где п- количество установок прибора.

5.4 Вывод о проделанной работе

Таблица 3 - Определения случайной средней квадратической и систематической погрешности работы компенсатора

Наклон прибора V'	Отче/по реечке, мм	АЬ; = в' - в", мм	Av = Вср - Во	Bv= в'+в"/2, мм	9ki - AVp/Sv"/'
	В прямом ходе в',	В обратном ,
+15	76,7	76,7	0.0	-0,05	76,70	-0,08
+13	76,6	76,8	-0.2	0,0	76,70	0,0
+12	76,6	76,6	0.0	0,0	76,60	0,0
+09	76,9	76,8	+0.1	-0,1	76,85	0,31
+09	76,8	76,7	+0.1	0,05	76,75	0,24
+03	76,9	76,8	+0.1	-од	76,85	0,95
00	76,7	76,8	-0.1	0,0	В0- 76,75	0,0
-03	76,7	76,7	0.0	0,0	76,70	0,0
-06	76,7	76,6	+0.1	-0,05	76,65	-0,24
-09	76,6	76,8	-0.2	-од	76,70	-0,32
-12	76,6	76,6	0.0	-од	76,60	-0,24
-13	76,9	76,7	+0.2	-ОД	76,80	-0,19
-15	76,8	76.8	0.0	-0,05	76,80	-0,08

Вывод. В результате проведенных исследований выявлено, что у нивелира Н-ЗКЛ № 8325:

время затухания компенсатора t_k= 1,68 сек < 1:_кдоп = 2 сек,

диапазон работы компенсатора v_K= 14,4' <п_кдои= 15',

случайная погрешность работы компенсатора т_к= 0,38" <т_кдоп = 0,5",

4) систематическая погрешность работы компенсатора 0_к =-0,2 <9кд_ОП⁼ 0,3"/'

Прибор не требует ремонта, так как случайная погрешность работы компенсатора не превышает допустимый предел.



6. Исследование технических параметров компенсатора

Перечень исследований технических параметров компенсатора включает в себя определение диапазона работы компенсатора, ошибки самоустановки визирной оси и ошибки компенсации. Указанные исследования выполняются в лабораторных и полевых условиях, при этом их можно производить совместно или раздельно.

В лабораторных условиях исследования можно производить с применением автоколлиматора или без него; в полевых условиях исследования выполняются без применения автоколлиматора.

6.1 Исследований в лабораторных условиях

При выполнении исследований в лабораторных условиях с применением автоколлиматора нивелир устанавливается на экзаменатор и приводится в рабочее положение. Рядом с нивелиром на тумбе устанавливается автоколлиматор таким образом, чтобы их зрительные трубы были соосны и сфокусированы на бесконечность; при этом сетка нитей нивелира подсвечивается лампочкой. Исследование заключается в последовательном изменении угла наклона зрительной трубы нивелира при помощи экзаменатора сначала в продольном, а потом и в поперечном направлении до тех пор, пока будет работать компенсатор.

Диапазон работы компенсатора вычисляется по формуле

fl=i(v,-v₂)=pN

где vl,v2 - максимальные углы наклона зрительной трубы нивелира, при которых наступает зависание маятника;

(I - цена одного деления шкалы экзаменатора;

N - число делений шкалы экзаменатора.

Средняя квадратическая ошибка самоустановки визирной оси нивелира вычисляется по формуле, где 8 - разность средних отсчетов по микрометру коллиматора, полученных в прямом и обратном ходах, для каждого угла наклона экзаменатора.

Ошибка самоустановки компенсатора (визирной оси) по своему влиянию на измеряемое превышение аналогична ошибке совмещения концов пузырька уровня и зависит в основном от качества изготовления и сборки всех узлов компенсатора. Под ошибкой тс самоустановки линии визирования понимается ошибка, с которой компенсатор, выведенный из положения равновесия, снова возвращается в это положение (в диапазон его работы).

Систематическая ошибка работы компенсатора (перекомпенсация и не-докомпенсация) на 1А+10' наклона зрительной трубы вычисляется по формуле, где А+10', А+10А+10' - средние отсчеты по микрометру коллиматора при максимальных (в нашем случае ± 10А+10') наклонах зрительной трубы нивелира в диапазоне работы компенсатора;

v- суммарный угол наклона зрительной трубы нивелира.

Выполнить исследования компенсатора в лабораторных условиях можно и в том случае, когда отсутствует коллиматор или экзаменатор. Результаты этих исследований в определенной степени будут носить приближенный характер и поэтому они применяются тогда, когда, например, при выполнении нивелирования или при транспортировке нивелира имел место сильный удар по его корпусу и требуется определить степень работоспособности компенсатора и нивелира в целом.

Предел работы компенсатора определяется по круглому уровню следующим образом. Нивелир тщательно приводится в рабочее положение по круглому уровню и зрительная труба наводится на рейку (линейку), установленную на расстоянии 5 - 10 м по направлению одного из подъемных винтов. Затем наблюдатель плавным вращением подъемного винта производит наклон нивелира в продольном направлении до тех пор, пока отсчет по рейке резко не 'изменится. После этого визуально фиксируется по круглому уровню величина отклонения его пузырька. Аналогичные действия выполняются при наклоне нивелира в поперечном направлении. Зная цену деления круглого уровня, можно определить предел работы компенсатора с ошибкой 1 - 2'.

Для определения средней квадратической ошибки самоустановки визирной оси на расстоянии 8 - 10 м от нивелира устанавливается линейка с отчетливо видимыми миллиметровыми делениями. После приведения нивелира в рабочее положение производится отсчет по линейке с точностью до 0,1 мм .

Затем нивелир одним из подъемных винтов слегка наклоняется (можно слегка постукивать по корпусу нивелира) до момента зависания компенсатора и снова возвращается в исходное положение с последующим взятием отсчета по линейке. Таких измерений выполняется не менее 10; эти действия составляют одну серию. Всего выполняется не менее трех таких серий.

Если в процессе выполнения исследований было обнаружено касание маятнике кожуха демпфера (как следствие механического повреждения), то нивелир необходимо передать в ремонтную мастерскую.

6.2 Определение ошибок компенсации



Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение ошибок компенсации проводится по схеме, приведенной на рисунке 16. Нивелир устанавливается на тумбу или штатив, а по направлению одного из подъемных винтов на расстоянии 8 - 10 м устанавливается линейка с отчетливо видимыми миллиметровыми делениями. Перед приведением нивелира в рабочее положение тщательно выполняется поверка, а при необходимости и юстировка круглого уровня. Затем нивелир приводится в рабочее положение и производится отсчет 01 (рис. 16, а) по линейке с точностью до 0,01 мм. После этого подъемным винтом, установленным по направлению на линейку, задается продольный наклон (4 - 6А+10') нивелира. Если при поднятии объектива вверх отсчеты увеличиваются по направлению к А', то имеет место недокомпенсация; при его уменьшении по направлению к А Г (рисунок 16, б) будет иметь место перекомпенсация. Аналогично с уменьшением отсчетов при наклоне объектива вниз (рисунок 16, в) имеет место недокомпенсация, а при их увеличении (рисунок 16, г) - перекомпенсация.

6.3 Исследования без применения автоколлиматора

В полевых условиях, как правило, производится исследование влияния только ошибок компенсации. Если по производственным причинам (возможное повреждение компенсатора при транспортировке нивелира) возникла необходимость определения предела работы компенсатора и ошибки его самоустановки, то эти исследования выполняются по методике, рассмотренной выше применительно к лабораторным условиям. Сущность методики исследования ошибок компенсации заключается в измерении превышений на станции при длине визирного луча 5, 25, 50, 75 м для высокоточных нивелиров; 5, 50, 100 и 150 м - для точных и технических нивелиров.

Необходимость измерения превышения при различных длинах визирных лучей обусловлена тем, что влияние рассмотренных выше ошибок (за наклон главной точки объектива, изменения фокусного расстояния и за недостаточно точную юстировку компенсатора) сказывается не одинаково при различных расстояниях до реек. Так, например, при длине визирного луча 50 м и более (фокусирование зрительной трубы на бесконечность) максимальное влияние на измеряемое превышение оказывает третья ошибка, а при длине визирного луча 15 - 20 м - первая и третья. И, наконец, при минимальной длине визирного луча будет иметь место суммарное влияние всех трех ошибок.

Непосредственно исследования компенсатора нивелира в полевых условиях производится в следующей последовательности. Исследуемый нивелир устанавливается в створе между рейками, на равных расстояниях от них. Тщательно приводится в рабочее положение и производится определение превышения по двум сторонам реек (по основной и дополнительной шкалам). Затем измерение превышения выполняется при наклонах нивелира в продольном и поперечном направлениях.

Ошибка на одну минуту наклона нивелира для каждого его положения вычисляется по формуле h0 - тоже, при положении пузырька уровня в нуль-пункте; S- длина визирного луча; a- угол наклона нивелира, рваный 8'.

После этого вычисляется средняя величина a'kдля каждого расстояния.

Определение средней квадратической ошибки измерения превышения на станции.

Величина данной ошибки находится из многократных измерений превышения при длине "визирного луча 30 и 50 м для высокоточных нивелиров и 100 м для точных и технических нивелиров. Она определяется при получении нивелира с завода-изготовителя, а также после его ремонта, особенно оптического микрометра.

Измерения выполняются при пасмурной погоде и слабом ветре. Точки установок реек закрепляются нивелирными костылями, а установленные на них рейки, фиксируются в неподвижном состоянии простейшими устройствами, в основном деревянными подпорками, с целью сохранения их неизменного положения в процессе измерений. Исследуемый нивелир устанавливается в створе между рейками на равных (±2 - 5 см) расстояниях от них. После приведения нивелира в рабочее положение превышение измеряется 10 раз, что составляет одну серию. Таких серий выполняется не менее пяти .

Средняя квадратическая ошибка измерения превышения на станции для каждой серии вычисляется по формуле

и, окончательная из всех серии,

где к - число серий измерений.

При измерении превышений необходимо постоянно следить за тем, чтобы концы пузырька уровня были тщательно совмещены, а при необходимости производить повторные их совмещения.