close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1andreev g n makhan ko a m avtomaticheskiy kontrol v tekhnolo

код для вставкиСкачать
г. Н. Андреев
А.М.Маханько
Автоматический
контроль
в технологических
процессах
А7
Федеральная целевая программа книгоиздания России
А н д р е е в Г.Н ., М а х а н ь к о Л.М. Автонатический контроль втехнологических
процессах.— м .: Издательство "Станкин", 1993.— 60с., ил.
^8ВN 5-7028-0049-4
Изложены основные сведения о технических измерениях в машиностроении,
методиках и средствах автоматического контроля. Приведены схемы, описан
принцип работы приборов автоматического контроля, контрольных автоматов и
координатно-измерительных машин. Рассмотрены примеры их практического
применения в отечественной и зарубежной промышленности.
Предназначено для студентов, аспирантов и специалистов, занимающихся
вопросами автоматизации измерений при выполнении технологических
процессов.
А
93^^
Безобъявл.
©
Издательство "Станкин". 1993
18ВК 5-7028-0049-4
Л
Введение
Переход отечественной экономики к рыночным отношениям
выдвигает на первый план для произворителей задачи, связанные с
конкурентноспособностью выпускаемой продукции. Решение их
предполагает повышение качества изделий и рентабельности
производства.
Ни одна область техники, ни одна отрасль народного хозяйства,
в таких условиях, не может существовать без контроля за проте­
канием технологическйх процессов, оценки эксплуатационных
показателей, технического уровня и качества изделий и продукции.
Высокоточные измерения в процессе изготовления деталей ма­
шин и их сборки во многом определяют долговечность, надежность,
бесшумность и даже энергоемкость изделий.
Задачи, стоящие сегодня перед отечественным машиностроени­
ем, требуют не только повышения точности средств измерения и
расширения номенклатуры измеряемых и контролируемых парамет­
ров, но и значительного увеличения доли приборов автоматического
контроля в метрологическом обеспечении технологических про­
цессов.
Повышение уровня автоматизации машиностроения, интенсив­
ное внедрение в производство станков с Ч П У и робототсхнических
комплексов обязывают искать пути повышения эффективности и
производительности контрольно-измерительных операций прежде
всего за счет их механизации и автоматизации, сокращения доли
ручного труда. Основное внимание при этом должно.уделяться ме­
ханизации и автоматизации контроля в условиях единичного и мел­
косер и й н ого производства. Эта задача м ож ет бы ть реш ена
применением на контрольных операциях роботов или измеритель­
ных машин, управляемых от ЭВМ и способных быстро перест­
раиваться на контроль других номенклатур деталей в условиях
малолюдной технологии.
3
Заводы и предприятия, выпускающие продукцию крупно­
серийно или массово, уже сегодня имеют достаточно высокий уровень
автоматизации контрольных операций. Особенно в этом плане выде­
ляю тся государственные подшипниковые заводы, оснащенные
большим количеством контрольно-сортировочных автоматов, прибо­
ров активного контроля, подналадчиков и др.
В предлагаемом учебнике приведены материалы исследований
и разработки советских ученых и конструкторов, широко используе­
мые на передовых машиностроительных предприятиях, а также сред­
ства измерения, прошедшие апробацию в научных лабораториях и
рекомендованные к внедрению. Рассмотрены также принципы
действия, конструкции, схемы и примеры применения устройств ав­
томатического и активного контроля.
Глава 1. Основы технических измерений
Измерения физических величин специальными методами с по­
мощью технических средств называют техническими измерениями.
В машиностроении наиболее часто производят измерения
линейных и угловых размеров соединений и изделий, шероховатости
и волнистости, отклонений расположения и формы поверхностей.
Эти и подобные виды измерений в общем виде принято называть
линейно-угловыми.
Обеспечение принципа единства измерений является одним из
главных требований, предъявляемых к техническим измерениям.
Единство измерений— состояние измерений, при котором их резуль­
таты выражены в стандартизованных единицах, а погрешности изме­
рений известны с заданной вероятностью. Эти условия позволяют
сопоставить результаты измерений, выполненных разнообразными
приборами в различных условиях и в разное время. Единство изме­
рений позволяет обеспечить взаимозаменяемость деталей, изготов­
ленных по одному чертежу на различных предприятиях.
В процессе измерения определяется действительное значение
параметра, если при этом погреш ность изм ерения известна.
Действительное значение, например, размера отличается от его
истинного значения. Качество измерений, отражающее близость их
результатов к истинному значению измеряемой величины, называ­
ют т очностью измерений. Чем ближе показания измерительного
средства к истинному значению измеряемого размера, тем выше
точность измерения.
Измерение размеров в машиностроении основано на практи­
ческом применении основных положений метрологии— науки об
измерениях, методах и средсгпвссх обеспечения единства измерений
и способах достижения требуемой точности.
Соответствие детали техническим требованиям по геометри­
ческим параметрам можно определить путем измерения или контро­
ля их. Измерением называют операции, выполняемые с помощью
5
измерительных средств для определения размеров. На производстве
значительно чаще используют контроль— определение соответствия
деталей техническим требованиям и заданному допуску, как правило
без определения размеров (например, контроль калибрами). За
результат контроля принимают качественную оценку изделия:" год­
ное", "брак” ("брак исправимый", "брак неисправимый").
1.1. Основные понятия
В зависимости от характера и средств измерения различают
прямые, косвенные и совокупные виды измерений.
При прямых измерениях искомое значение величины сравнива­
ют либо с мерой непосредственно, либо с помощью измерительного
прибора (измерение диаметра вала микрометром, тока— ампермет­
ром, температуры— термометром и т.п.). Если прямое измерение
величины затруднительно, то прибегают к косвенным измерениям.
При этом искомую величину определяют расчетным путем по
результатам прямых измерений других величин, связанных с иско­
мой известной зависимостью (определение диаметра резьбы методом
трех проволочек, измерение углов при помощи синусных линеек и
т.п.). В ряде случаев точность косвенных измерений получается
выше, чем прямых.
Совокупные виды измерений, дающие возможность найти зна­
чения искомой величины путем составления и решения системы
уравнений для различных сочетаний величин, получаемых прямым
измерением при различных условиях, используются в основном при
экспериментальных исследованиях.
В каждом конкретном случае для повышения точности изме­
рений применяют соответствующие методы измерений. Под методом
и зм ер ен и й понимают совокуп ность приемов использовани я
принципов и средств измерения. Различают метод непосредствен­
ной оценки и метод сравнения с мерой. При измерениях методом
непосредственной оценки по отсчетному устройству прибора опреде­
ляю т значения измеряемой величины (диаметр вала штангенцирку­
лем, напряжение по вольтметру и т.п.). В этом случае погрешность
градуировки шкалы, износ механизма, изменение температуры и др.
будут влиять на точность измерений. Метод сравнения с мерой за­
ключается в определении по отсчетному устройству прибора только
отклонения измеряемой величины от известной меры или от образ­
цовой детали. Часто этот метод называют относительным, раз­
ностным, и л и методом замещения. Разновидностью метода
замещения является нулевой метод, который предлагает определять
измеряемую величину отсутствием разности между ней и мерой или
образцовой деталью. Примерами этого метода могут быть взвеши­
вание на р а в н о п л е ч и х весах при п ом ощ и ги р ь, к о н т р о л ь
сопротивлений при помощи уравновешенных мостов и т.п. При ну­
левом методе на результат измерений не влияют градуировка шкалы,
изменение температуры и другие причины, т.е. этот метод обес­
печивает повышенную точность.
Дифференциальный метод— разновидность метода сравнения с
мерой, при котором на измерительный прибор воздействует разность
измеряемой величины и известной меры, например, измерение ли ­
нейных размеров на оптиметрах, контактных интерферометрах и т.п.
В процессе контроля деталей используют дифференциальный и
комплексный методы. Дифференциальный метод заключается в про­
верке отдельно каждого параметра изделия. Например, контроль
резьбовых калибров на микроскопе (поэлементный контроль средне­
го диаметра, шага резьбы и половины угла профиля резьбы). Комп­
лексный метод состоит в одновременной проверке суммарной
погрешности нескольких параметров, например, контроль резьбы
резьбовыми калибрами. Комплексный метод обладает высокой
производительностью, а дифференциальный— возможностью опреде­
лить причину брака.
По взаимодействию измерительных средств с проверяемым
объектом все рассмотренные выше методы подразделяются на кон­
тактные и бесконтактные. Д л я первых характерен контакт
измерительных поверхностей прибора с проверяемым изделием, во
втором случае прибор не касается детали.
Гс.'сническис средства, используемые при измерениях и име­
ющие нормированные метрологические параметры и свойства, назы­
ваются средствами измерений. Они подразделяю тся на меры,
измерительные приборы и контрольно-измерительные автома­
ты. Меры— это тела, вещества или устройства, предназначенныедля
воспроизведения конкретных единиц измерения или их кратных и
дольных значений.
Однозначная мера воспроизводит одно значение— либо единицу
измерения, либо ее кратное или дольное значение (гири, концевые
меры длины, нормальные элементы ЭДС и др.). Многозначные меры
могут воспроизводить несколько дольных или кратных значений
единиц измерения (ш триховая мера длины или многогранная
призма). В практической деятельности чаще используют наборы мер,
позволяющие воспроизводить ряд одноименных величин различного
размера (наборы плоскопараллельных концевых мер длины, набор
угловых мер, разновесы и д р.).
В зависимости от служебного применения различают образцо­
вые и рабочие меры. Первые служат для воспроизведения, хранения
ед и н и ц и зм ер ен и й и д ля проверки или градуировки мер и
измерительных приборов, вторые— для выполнения практических
измерений. Образцовые меры, служащие для воспроизведения и
хранения единиц с наивысшей достижимой точностью, называют
эталонами.
Измерительные приборы относятся к рабочим мерам и служат
средствами измерений для выработки сигнала измерительной инфор­
мации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблю­
д а т е л е м . О н и п о д р а з д е л я ю т с я на аналоговы е, цифровые,
показывающие, регистрирующие, самопишущие, печатающие,
интегрирующие 1лц,р. По степени универсализации приборы подраз­
д е л я ю т с я на универсальные, предназначенные д ля измерения
одноименных величин различных изделий, и специализированные—
для измерения однотипных изделий или однотипных параметров
(шероховатость, отклонения формы поверхности т.д.).
П о конструкции приборы для линейных измерений делят на;
штриховые приборы (приборы с нониусом), приборы с микромет­
рическими винтовыми парами (микрометрические инструменты),
рычажные (миниметры), зубчатые (индикаторы часового типа),
рычажно-зубчатые (индикаторы), пружинные (микаторы и микрокаторы ), рычажно-пружинные (м иникаторы ), оптико-механи­
ческие (оптиметры, оптикаторы, измерительные микроскопы и д р .),
пневматические (ротаметры), электроконтактные, индуктивные,
индукционные и т.д.
По степени автоматизации средства измерения подразделяют­
ся на ручные, механизированные, полуавтоматические и авто­
матические.
Под механизированным контролем понимают такой, при кото­
ром одна из операций осуществляется механизмом. Чаще всего ме-^
х а н и зи р у ю т п одачу д ета лей на и зм ер и тел ь н ую п ози ц и ю и
транспортировку ее из зоны измерения. Сам же процесс измерения
выполняется вручную.
При полуавтоматическом контроле процесс измерения произ­
водится автоматически, а остальные операции (базирование, транс­
портировка и т.п.) осуществляется вручную.
Автоматический контроль обеспечивает все необходимые опе­
рации без участия оператора. Загрузка, выгрузка, установка детали
8
на измерительную позицию и контроль осуществляются автомати­
чески.
Все приборы автоматического контроля по целевому назна-*
чению делят на приборы пассивного (послеоперационного) контроля
и приборы активного (технологического) контроля.
Первая группа приборов служит либо для определения значений
проверяемых параметров, либо для контроля годности изделий. Как
правило, эти процессы носят констатирующий характер и сводятся к
разбраковке деталей.
Ко второй группе относятся приборы активного контроля, кото­
рые позволяют оперативно использовать результаты измерений для
управления технологическим процессом.
Активный контроль чаще всего осуществляют в процессе изго­
товления. Однако он правомерен и непосредственно после изготов­
лен и я детали при условии выработки сигнала на управление
металлорежущим станком. Приборы активного контроля предуп­
реждают появление бракованных изделий.
1.2. Метрологические показатели средств измерения
Измерительные приборы состоят из измерительного преобразо­
вателя (раньше он назывался датчиком), измерительного механизма
и отсчетного устройства, позволяющего определять значение изме­
ряемой величины. В соответствии со стандартом "Государственная
система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и
определения" различают первичный, промежуточный, передающий
и масштабный преобразователи. Первичным называется преобразо­
ватель, к которому подведена измеряемая величина и который
занимает первое место в измеряемой цепи. Следом за ним может
находи ться пром еж уточн ы й п р ео бр а зо в атель. П ередаю щ и й
измерительный преобразователь предназначен для передачи сигнала
на требуемое расстояние. Масштабные преобразователи служат
только для изменения значения сигнала в заданное число раз, не
преобразуя одну физическую величину в другую.
Отсчетное устройство показывающего прибора может иметь
шкалу и указатель, выполненный в виде стрелки, светового луча и
Т.Д. В настоящее время широкое применение получают отсчетные
устройства с цифровой индикацией.
Ш к ала— часть отсчетного устройства, представляющая со­
бой совокупность отметок и проставленных у некоторых из них
чисел отсчета или д р уги х сим волов, со отв етств ую щ и х ряду
последовательных значений величины. Промежуток между двумя
соседними отметками шкалы называют делением шкалы.
К основным метрологическим показателям измерительных
приборов относятся: цена деления шкалы— разность значений ве­
личин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы; длина де­
ления шкалы— расстояние между осями (и ли центрами) двух
соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии,
проходящей через середины самых коротких отметок шкалы; началь­
ное и конечное значения шкалы— наименьшее и наибольшее зна­
чения измеряемой величины, указанные на ш кале; диапазон
показаний— область значений шкалы, ограниченная начальным и
конечным значениями шкалы; диапазон измерений— область зна­
чений измеряемой величины, для которой нормированы допускае­
м ы е п о гр е ш н о с т и средства и зм ер е н и я ; предел изм ерений
— наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений;
передаточное отношение— отношение сигнала на выходе измери­
т ел ь н о го прибора к вызвавш ему его изменению изм еряем ой
величины (этот термин относится к приборам для линейных изме­
рений, для остальных вместо "передаточное отношение" применяют
термин чувствительность измерительного прибора).
Передаточное отношение можно определить как частное при
делении длины деления на цену деления шкалы.
Вариация показаний— разность показаний прибора, соответст­
вующих данной точке диапазона измерения при двух направлениях
медленных измерений показаний прибора при подходе к данной точ­
ке диапазона измерений; измерительное усилие— сила, создаваемая
прибором при контакте с изделием и действующая по линии изме­
рения; мс1Ксимальное колебание измерительного усилия— разность
между наибольшим и наименьшим значениями измерительного
усилия; абсолютная погрешность измерительного прибора— раз­
ность между показаниями прибора и истинным значением измеряе­
мой величины (так как истинное значение величины неизвестно,
вместо него пользуются действительным значением); абсолютная
погрешность меры— разность между нормальным значением меры
и истинным значением воспроизводимой сю величины; приведенная
погреш ност ь измерительного прибора— отношение абсолютной
погреш ности прибора к нормируемому значению , за которое
принимают значение, равное верхнему пределу измерений, диапазо­
ну измерений или диапазону показаний, и др.; основная погреш­
ность— погреш ность средств изм ерений, и сп о ль зу ем ы х при
нормальных условиях (температура 20 °С, атмосферное давление
10
101324,72 Па, или 760 мм рт.ст., относительная влажность 58 % );
дополнительная погрешность— измерение действительного зна­
чения меры или показания прибора при отклонении одной из
влияющих величин (температуры, давления, влажности, запылен­
ности и др.) за пределы, установленные для нормального значения
или для нормальной области значений; класс точности — обобщен­
ная характеристика средств измерений, определяемая пределами до­
пускаемых и дополнительны х погрешностей, а также другими
свойствами средств измерений, влияющими на их точность и опреде­
ляемыми стандартами на отдельные виды средств измерений.
1.3. Погрешности измерений и их оценка
Погрешность измерения, так же как и погрешность изготов­
ления, возникает вследствие суммарного действия элементарных
погрешностей, вызываемых различными причинами. К элементар­
ным погрешностям измерения относятся: инструментальная пог­
решность измерения, определяемая погрешностью применяемых
средств измерения— измерительных приборов и мер. Причиной
возникновения этого вида погрешности могут служить ошибки, до­
пущенные при изготовлении или юстировке прибора, несовершенст­
во его принципиальной схемы или механизма и др. Погрешность
отсчитывания возникает из-за недостаточно точного отсчитывания
показаний прибора. Погрешность интерполяции при отсчитывании происходит от недостаточно точной оценки "на глаз" доли де­
л е н и я ш к а л ы , с о о т в е т с т в у ю щ е й п о ло ж е н и ю у к а з а т е л я .
Погрешность от параллакса (рис. 1) возникает вследствие наблю­
дения указателя, расположенного на некотором расстоянии от повер­
хности ш калы и отк лон ен и я
ли н и и зрения от н ор м али к
поверхности ш калы. В соот­
в етств и и с о б о з н а ч е н и я м и ,
принятыми на рис. 1, погреш­
ность паралакса будет равна
Апар =
П огреш н ост ь от
перекоса возникает при нару­
шении принципа Аббе, который
заключается в том, что при кон­
струировании измерительных
средств шкалы следует распола­
Рис. 1. Погрешность от параллакса
гать последовательно на одной
11
прямой С измеряемым объек­
том, т.е. линия измерения
д олж н а я в л я т ь с я п р од ол­
ж ением линии ш калы. На
рис. 2
п о к а за н
ш тан­
генциркуль с перекошенной
рамкой. При этом расстояние
между измерительными губ­
ками меняется. Так, при ус­
тановке штангенциркуля на
размер а расстояния между
гу бк а м и ш т а н ген ц и р к уля
Рис. 2. Погрешность при нарушении
принципа Аббе
вследствие перекоса рамки
получаются равными А и с. В
зависимости от направления перекоса эти размеры могут быть боль­
ше или меньше а. Возникающая при этом погрешность может быть
рассчитана по формуле
[к
л
Апер = с — а = 1<р .
При выполнении принципа Аббе / = О и Лпер = О . Внешние
ошибки возникают при отклонениях от нормальных условий изме­
рения. Например, пр отклонении температуры от нормального зна­
чения 20 °С происходит изменение длины деталей измерительных
средств и проверяемых изделий. Причем вследствие разности коэф­
фициентов линейного расширения материалов деталей измеритель­
ных средств и изделий эти изменения не одинаковы. Температурная
погрешность Дтем рассчитывается по формуле
Атем — / о 1 ( П -
20) -
0 2 (1 2 -
20)
где /— измеряемый размер, « 1 , а 2 — соответственно коэффициенты
линейного расширения материалов деталей измерительного средства
и изделия, О, (2 — температуры измерительного средства и изделия.
Уменьшение температурных погрешностей возможно за счет
проведения измерений при температуре, близкой к нормальной при вы­
равнивании температуры проверяемого изделия и прибора за счет вне­
сения поправки, равной температурной погрешности, в результат
измерения.
П огреш ност и измерений от измерительного усилия м огут
возникать из-за контактных деформаций поверхностей в местах соп­
рикосновения измерительного средства (измерительного наконечника)
12
и изделия; деформации изделия (тонкостенные детали); упругих
деформаций стойки и штатива. Если при измерении тонкостенных,
легко деформируемых изделий настройку прибора производить по
концевым мерам длины, то погрешность измерений от измеритель­
ного усилия может достигать весьма существенных значений. Д ля ее
уменьшения необходимо в результат измерений вносить поправку,
определенную опытным путем, либо настраивать прибор по образцо­
вой детали. В последнем случае деформации при настройке прибора
и последующих измерениях будут одинаковы.
Ошибки объекта возникают из-за отклонения контролируемой
поверхности от правильной геометрической формы, шероховатости
поверхности, изменения формы и размеров детали в результате ста­
рения материала и т.д.
Погрешность метода измерений. Погрешности данного вида
возникают вследствие несовершенства выбранного метода измере­
ний, например, неправильно выбранной последовательности изме­
рений, неправильного базирования контролируемой детали.
Погрешность прибора является частным случаем погрешности
измерения и определяется как разность между показанием прибора
и истинным значением проверяемой величины. Эта погрешность вы­
является в результате проверки прибора, которая заключается в
измерении прибором объекта с заранее известным размером (меры,
образцовой детали т.д.), погрешностью которого пренебрегают. Раз­
ность между показаниями прибора и размером объекта будет опреде­
лять погрешность прибора.
Погрешности измерения и прибора, так же как и причины их
вызывающие, м огут быть систематическими, случайными и
грубыми.
К грубым погрешностям измерения относятся случайные пог­
решности, значительно превосходящие ожидаемые при данных усло­
виях погрешности. Причинами, вызывающими грубые погрешности,
могут быть неправильный отсчет по шкале прибора, неправильная
установка (перекос) измеряемой детали в процессе измерения и т.п.
Результаты измерений, содержащие эти пофешности, исключают из
рассмотрения, как явно недостоверные.
Возникающие при измерениях систематические погрешности
могут быть выявлены и исключены из результатов измерений путем
введения соответствующих поправок или устранены регулировкой
прибора.
Для оценки случайных погрешностей необходимо знать законо­
мерности их появления. Существуют законы, связывающие случай13
Рис. 3. Кривые распределения по нормальному закону
ные погрешности и вероятность их появления при изготовлении и
измерении деталей. Эти законы называются законами распреде­
ления случайных величин. В машиностроении наиболее часто воз­
никновение и распределение случайных погрешностей происходят по
закону нормального распределения или, как его часто называют, по
закону Гаусса. Этому закону подчиняются случайные величины,
появление которых зависит от большого количества причин, ни одна
из которых не имеет решающего значения.
Вид кривой нормального распределения (рис. За) дает возмож­
ность сделать некоторые выводы о закономерностях случайных
величин.
1. Вероятности появления одинаковых по значению, но име­
ющих разные знаки погрешностей равны.
2. Чем больше погрешность измерения, тем меньше вероятность
ее появления (обратите внимание на то, что большая часть изме­
рений имеет значения, близкие к среднему значению, и чем больше
погрешность измерения, тем меньше зарегистрировано измеренных
значений).
3. В связи с тем, что вероятности появления плюсовых и мину­
совых погрешностей равны, при увеличении числа измерений одной
и той же величины среднее арифметическое значение этих погреш­
ностей будет стремиться к нулю. Благодаря этому свойству можно
значительно уменьшить или даже исключить влияние случайных
погрешностей на результаты измерений.
Систематическая погрешность при этом остается постоянной
для всех измерений. При многократных измерениях, чтобы умень­
шить или исключить систематическую погрешность, необходимо соз­
дать такие условия, чтобы она стала случайной. Д ля этого может быть
использован следующий прием: один и тот же размер измеряют не
14
одним прибором, а несколькими, причем количество измерений на
каждом приборе должно быть одинаковым. В этом случае систе­
матическая погрешность прибора превратиться в случайную погреш­
ность процесса изм ерени я и среднее зн а ч ен и е п о лу ч е н н ы х
результатов будет соответствовать размеру с уменьшенной систе­
матической и случайной погрешностями.
Д ля оценки степени уменьшения случайной погрешности при
многократных измерениях- пользуются соотношением 'Л я , где N —
число измерений. Измеряя одну и ту же величину 4 раза, уменьшают
влияние погрешности на результат измерения в два раза, а при 16
измерениях— в четыре.
Важнейшей числовой характеристикой случайной величины,
оценивающей ее среднее значение, является математическое ожи­
дание М — координата вертикальной линии, относительно которой
группируются (рассеиваются) возможные значения случайной вели­
чины. Математическое ожидание определяется как сумма произведе­
ний значений случайной величины Л7 на вероятность их появления Рx^
п
М ~ Х = ' ^ Х\Рх1.
1=1
Второй важной числовой характеристикой, указывающей на
степень разброса случайных величин относительно среднего зна­
чения, является среднее квадратическое отклонение, обозначаемое
греческой буквой о (сигма). Чем больше значение о , тем кривая
распределения становиться все более пологой, т.е. увеличивается
вероятность появления больших погрешностей. С уменьшением о
кривая, сжимаясь, вытягивается вверх, при этом уменьшается вероят­
ность появления больших отклонений от среднего значения (рис. Зб).
Весь диапазон рассеивания случайн ы х величин условн о
принимают равным 6а, тогда предельная погрешность ряда изме­
рений получается равной ±3а.
Вся площадь, ограниченная кривой, обозначает 100% вероят­
ности возникновения результатов измерения от хк до Хщ или, более
точно, 99,73%. Это значит, что 0,27% (±0 .1 3 5 % ) измерений лежит
за пределами установленных границ поля рассеивания ш1и, другими
словами, примерно в одном случае из 400 случайная погрешность
измерения может быть больше предельного значения.
На рис. Зб показаны три р1>зличных кривых распределения с
разными значениями о. При этом границы рассеивания выбраны
таким образом, чтобы ограниченные кривыми площади были равны.
15
Значение о рассчитывается по формуле:
уП 2 Р,(Л, - АО)^ - X
А
где N — число измерений, Р \— вероятность (частота) появления слу ­
чайной величины, x ^— значение случайной величины (измеренное),
АО— номинальное значение контролируемого параметра, а— среднее
арифметическое значение погрешности.
Если число измерений невелико, а именно, меньше 30, то в
приведенной формуле вместо 1/М необходимо брать 1/ ( У — 1).
Все вышеуказанное справедливо только для закона нормального
распределения, пусть самого распространенного в машиностроении,
но не единственного. Распределение случайных величин может
подчиняться и другим законам: закону равной вероятности, закону
равнобедренного треугольника (Симпсона), закону равного возра­
стания, закону Релея и др. Поэтому, прежде чем переходить к число­
вым оценкам погреш ностей, необходим о выяснить закон их
распределения.
1.4. Выбор средств измерения
Применяемые контрольно-измерительные средства должны в
первую очередь обеспечивать требуемые производительность и точ­
ность измерений. Кроме того, при выборе измерительных средств
необходимо учитывать форму контроля, программу выпуска, особен­
ности конструкции деталей , точность их и зготовлен и я, эк о­
номические факторы и др.
Выбору измерительных средств предшествует определение до­
пустимой погрешности измерения и приемочных границ (предель­
ных значений размеров деталей, по которым будет производиться их
приемка). Допускаемая погрешность измерения Г О С Т а 8.051-81
(С Т СЭВ 303-76) г е и . Погрешности, допускаемые при измерении
линейных размеров, до 500 мм. Стандарт устанавливает 15 рядов
пределов допускаемых погрешностей измерения для каждого интер­
вала номинальных размеров в зависимости от допуска на конт­
ролируемый размер (допуска на размер изделия). Погрешность
измерения составляет примерно 20% допуска на изготовление по
1Т16— 1Т9 и 35% по 1Т9— 1Т2.
В случае назначения нестандартного допуска на размер изго­
тавливаемой детали допускаемую погрешность принимают по
ближайшему (меньшему) значению стандартного допуска.
Допускаемая погрешность измерения, как следует из стандарта,
не зависит от вида измерительных средств и выбранного метода изме­
рения. Однако на практике при измерении автоматическими и полу­
автоматическими средствами д еталей, изготовленны х грубее
четвертого квалитета, принимают допускаемую погрешность изме­
рения на один ряд точнее, чем установленную стандартом.
Допускаемая погрешность измерения в стандарте является наи­
большей возможной погрешностью измерения с учетом суммарного
влияния на результат измерения систематических и случайных пог­
решностей. Значение размеров, полученных при измерениях с пог­
решностями, не превышающими установленные ГО С Т 8.051-81,
принимают за действительные.
Приемочные границы устанавливают либо назначением пре­
дельных отклонений в соответствии со С Т СЭВ 144-75, т.е. выбором
соответствующего квалитета или вида посадки, либо смещением пре­
дельных отклонений внутрь поля допуска, т.е. введением производ­
ственного допуска. ГО С Т 8.051-81 отдает предпочтение первому
способу назначения приемочных границ.
В зависимости от характера производства (массового, крупно­
серийного и т.п.) рекомендуется выбирать те измерительные средства,
применение которых экономически наиболее целесообразно и обес­
печивает требуемую производительность. Степень механизации
измерительных средств зависит от программы выпуска контролируемых
изделий. В массовом производстве широко применяют специальные и
специализированные контрольно-измерительные приспособления, авто­
маты и полуавтоматы. В единичном производстве используют в основном
универсальные измерительные приборы. Вда;1ьне11шем, с широким внед­
рением в процесс контроля роботов, управляемых от ЭВМ, программа
выпуска будет определять не степень механизации, а конструкции и
принципы автоматических средств контроля.
Конструкция детали, ее габариты и вес влияют в значительной
степени на выбор измерительных средств. При контроле тяжелых
деталей следует пользоваться переносными приборами, а легкие де­
тали измерять на стационарных. Жесткость детали определяет зна­
чение измерительного усилия, а подчас и применение бесконтактных
средств измерения. Например, тонкостенные, легко деформируемые
втулки проверяют пневмопробками и пневмоскобами.
Выбранныес учетом вышеизложенного измерительные средства
вносят в карты технологического процесса механообработки или
сборки, в карты технического контроля или другую технологическую
документацию.
17
Глава 2. Общие сведения о методах и средствах
автоматического контроля
Автоматизация процессов технического контроля, как уже го­
ворилось выше, может осуществляться по двум направлениям: авто­
м ати заци я кон тр ольн ы х операций в процессе и зготовлени я
(активного) и послеоперационного. Оба метода имеют важное зна­
чение, так как в конечном итоге обеспечивают качество выпускаемой
продукции.
Автоматизация послеоперационного контроля сегодня с мето­
дической и технической стороны не представляет собой сложности,
так как этот процесс зародился достаточно давно и его принципы
хорошо известны и освещены в технической литературе. Активный
же контроль на наших предприятиях начал внедряться сравнительно
недавно. Поэтому основное внимание в предлагаемой брошюре будет
уделено именно контролю, по результатам которого производится
управление технологическим процессом.
2.1. Технологический контроль и автоматическое
регулирование
При обработке деталей на металлорежущих станках погреш­
ности, вызываемые износом инструмента, тепловыми и силовыми
деформациями, приводят к рассеиванию размеров деталей. Компен­
сировать эти погрешности методом предварительной настройки стан­
ка, например, заложив в программное обеспечение станка с Ч П У
закон их изменения в качестве исходных данных для работы управ­
ляющей системы, чрезвычайно сложно.
Применение активного контроля при обработке на станках поз­
воляет значительно повысить технологическую точность за счет ком­
пенсации возникающих погрешностей. Активный контроль размеров
в первом приближении можно отождествлять с регулированием раз­
меров, так как в том и в другом случаях при помощи средств
18
измерения значения обрабатываемых размеров сравниваются с их
заранее заданными значениями. В обоих случаях имеются размеру
ные обратные связи, т.е. выходные параметры системы регулирова­
ния воздействуют на входные. Однако понятие "активный контроль"
гораздо шире по сравнению с понятием"регулирование размеров",
так как далеко не всякую разновидность технологического контроля
можно отнести к регулированию.
К основным различиям активного контроля и автоматического
регулирования можно отнести следующие.
1. Системы автоматического регулирования всегда имеют м зтериализированные обратные связи, т.е. замкнуты, тогда как
активный контроль материализированных обратных связей может и
не иметь.
2. При активном контроле процессы контроля и управления
могут происходить неодновременно, причем управление может осу­
ществляться как автоматически, так и вручную.
3. Системы автоматического регулирования приходят в дей­
ствие при отклонении значения регулируемого размера от его заданНО.ГО зн а ч ен и я , т .е . и м ею т н еп р ер ы вн ую ха р а к т е р и сти к у .
Подавляющее же большинство средств активного контроля срабаты­
вает, когда измеряемый размер достигает заданного значения, т.е.
имеет дискретную (преры вистую ) характеристику. Системы
регулирования размеров в принципе являются более точными, чем
дискретные, однако преимущества этих систем не всегда могут про­
явиться в условиях дискретности самих технологических процессов.
4. Точность систем активного контроля зависит от техноло­
гических и метрологических факторов, тогда как точность системы
автоматического регулирования определяется динамическими пог^
решностями и силами трения.
Достижение требуемых размеров при обработке может осуще­
ствляться не только с использованием систем регулирования, но и
путем управления размерами. В отличие от систем регулирования
системы управления не имеют размерных обратных связей и, следо­
вательно, являются разомкнутыми. Чаще всего управление реализу­
ют по известным программам.
2.2. Методы технологического контроля
Понятие технологического контроля достаточно широко расп­
ространяется на все области техники. Суть его состоит в обеспечении
необходимой точности тех или иных параметров деталей, узлов или
19
изделий в процессе их изготовления. Любой контроль, осуществляе­
мый даже рабочим в процессе выполнения им какой-либо операции,
является активным.
В широком смыслетермин "активный контроль" определяет тех­
ническую политику, направленную на использование средств изме­
рения для повышения технологической точности.
Все средства активного контроля, применяемые при обработке
деталей на металлорежущих станках, можно разделить на устройст­
ва для прямых измерений и устройства, используюшис косвенные
методы измерений.
Все приборы, использующие первый метод, контролируют не­
посредственно размер изготовляемой детали, поверхность которой
является при этом измерительной базой. К этой группе относятся
приборы для измерения (контро.^я) диаметральных размеров (двух-,
трехконтактные, системы с жесткими калибрами и пр.
При косвенном методе значение обрабатываемого размера
оценивается по положению режущей кромки инструмента, испол­
нительных органов станка, либо по положению поверхности детали
по отношению к базе установки прибора, т.е. в измерительную цепь
помимо размера контролируемой детали включаются также размер­
ные параметры самого станка. В данном случае косвенный метод
обладает большими погрешностями, чем прямой, так как на его точ­
ность в большей степени влияют тепловые и силовые деформации
технологической системы.
По функциональному назначению средства активного контроля
подразделяются на четыре группы;
— устройства, осуществляющие контроль непосредственно в
процессе обработки;
— подналадчики;
— блокирующие устройства;
— устройства входного контроля.
В первую группу входят приборы, осуществляющие контроль за
текущим зна'.'ением размера обрабатываемой детали прямым или
косвенным методом и дающие команду на окончание обработки при
достижении размером заданного значения. Эти приборы могут уп­
равлять технологическим процессом, изменяя режим подачи.
Подналадчики, используя цепи обратной связи, изменяют на­
стройку металлорежущего станка или устройства, управляющего
станком, при отклонении контролируемого размера от заданного зна­
чения или при выходе его за установленные границы. Эти устройства,
как правило, применяют при обработке "на проход". При обработке
20
методом врезания их применяют в сочетании с жесткими упорами. В
этом случае подналадчики дают команду на изменение положения
инструментальной бабки, суппортов или, лучш е,— положения само­
го жесткого упора. Подналадчики могут функционировать как в
процессе обработке деталей, так и после. Практически всегда подналадка осуществляется после"обработки группы деталей.
В отличие от устройств, контролирующих размер деталей, под­
наладчики полностью не определяют размер изготавливаемой де­
тали, а только поддерживают с требуемой точностью размеры
деталей, заданные предварительной настройкой станка.
Подналадка в сравнении с контролем в процессе обработки
является менее точной, так как компенсирует только функциональ­
ные погрешности, тогда как контроль в процессе обработки ком­
пенсирует и э*ги и случайные погрешности.
Подналадка станка может осуществляться по сигналам измери­
тельного у стройства, контролирующего размеры обработанных дета­
лей и находящегося на станке или в непосредственной близости от
него, по времени, либо после определенного количества обработан­
ных деталей.
Подналадка по времени, либо по числу циклов производиться с
учетом опытных данных, определяющих интенсивность изменения
во времени размеров деталей и величины подналадочного импульса.
При этом, конечно, не представляется возможным учесть влияние
случайных погрешностей, сопровождающих процесс обработки, что
может привести к рассогласованию заданной программы компен­
сации и фактическим изменениям размеров. Это является основным
недостатком данного метода.
Простейшей формой активного контроля является блокировка.
К ней можно отнести устройства, контролирующие размеры деталей
и дающие команду на прекращение обработки в случае выхода раз­
меров за установленные границы. Существуют блокирующие уст­
ройства для выключения станка при значительном увеличении
мошнос'ги резания, температуры в зоне резания и т.п.
Широкое распространение получили блокировки в автомати­
ческих линиях при контроле правильности базирования деталей,
значения припуска, заполнения магазинов-накопителей, приемных
лотков. В автоматизированных производствах государственных
подшипниковых заводов блокирующие устройства устанавливают
между токарным и шлифовальным участками для предотвращения
попадания на шлифовальные станки заготовок, не обработанных на
предварительных операциях или с завышенными припусками.
21
Защитно-блокирующими устройствами оснащаются многие отечест­
венные и импортные шлифовальные станки.
Устройства входного контроля в зависимости от выполняемых
функций разделяют на две группы: для контроля размерных пара­
метров заготовок и для контроля положения режущего инструмента,
а точнее, для фиксации момента касания инструмента (нщифовального круга) обрабатываемой заготовки.
Устройства входного контроля первой группы по результатам
измерений заготовок перед обработкой осуществляют либо стаби­
лизацию сил резания, либо изменяют черновую подачу для обеспе­
чения постоянства длительности цикла обработки. Входной контроль
размеров в сочетании с измерением сил резания может быть исполь­
зован для управления размерами обрабатываемых деталей.
Обработка заготовок на шлифовальных станках методом вре­
зания, как правило, происходит по следующему циклу; быстрый
подвод до момента касания шлифовальным кругом заготовки, чер­
новая подача, чистовая подача, выхаживание *), быстрый отвод.
При этом чрезвычайно важное значение имеет фиксация момента
касания заготовки и инстру мента как начальной точки начала
обработки.
При чистовой обработке колец подшипников на бесцентрово­
шлифовальных автоматах ускоренный подвод после фиксации ка­
сания сменяется сразу выхаживанием, пподолжительность которого
регламентируется предварительно настроенным реле времени. Ес­
тественно, что в этом случае правильная фиксация точки касания
определит размер обработанной детали. В настоящее время наибо­
лее часто для этих целей используют реле мощности или токовое
реле, которое фиксирует возрастание мощности или тока двигателя
в момент касания.
Рассмотренные нами четыре гру ппы средств активного конт­
роля достаточно редко применяют в чистом виде при изготовлении
деталей. Наибольший эффект они дают при комбинированном
применении. Например, подналадку целесообразно комбиниро­
вать с разбраковкой таким образом, чтобы разбраковка до подналадки являлась по отношению к ней блокировкой. В ряде случаев
активный контроль размеров в процессе обработки целесообраз­
но комбинировать с контролем полож ения реж ущ ей кромки
1) Выхаживание— зютехнолотчсский прием обработки дсшлей ириогсутстьии
подачи. Резание происходит за счет прсдиарительной ле(]юрмации технологической
системы, происшедшей в период черновой и чистовой обработки.
инструмента. Экономически целесообразное и эффективное сочетан и е средств а к ти в н ого к о н тр о ля , о б есп еч и в аю щ и х
соврем енны е тех н ологи ч еск и е процессы, является на и более
прогрессивным направлением развития технического контроля в
машиностроении.
2.3. Послеоперационный автоматический контроль
Средства измерения, применяемые в автоматическом послеопе­
рационном контроле, по степени автоматизации можно разбить на
три основные группы:
— устройства с автоматическим сигналом;
— полуавтоматы;
— автоматы.
Измерительные устройства первой группы снабжены звуковым
или световым сигналом. Световой сигнал выполняется чаще всего в
виде светофорного устройства. Загорающиеся в процессе контроля
лампочки различного цвета соответствуют либо первоначально за­
данным размерам, либо констатируют годность, брак исправимый
или неисправимый. При этом сам процесс контроля может осущест­
вляться вручную. Автоматический сигнал позволяет значительно
повысить производительность и объективность контроля.
Контрольные полуавтоматы представляют собой устройства с
автоматизированной контрольной операцией, но с ручной загрузкой
на измерительную позицию и выгрузкой. В контрольных автоматах
автоматизированы все элементы процесса контроля, включая загруз­
ку и выгрузку.
В зависимости от числа контролируемых параметров контроль­
ные автоматы могут быть одно- и многопозиционные.
В послеоперационном контроле, кроме перечисленных, широко
применяются и автоматизированные средства измерения, у которых
некоторые вспомогательные операции механизированы (например,
базирование деталей на измерительной позиции). Процесс изме­
рения, либо контроля при этом осуществляется вручную с использо­
ванием традиционных шкальных приборов или калибров.
Средства автоматического послеоперационного контроля,
осуществляющие контроль (измерение) одного параметра, назы­
вают одномерными, нескольких— многомерными. Многомерные
устройства в свою очередь разделяются на комплексные и группо­
вые. V ком п лексн ы х на одной позиции одноврем енно конт­
р о ли р у ю тся н е с к о л ь к о п ар ам етр ов, у гр у п п о в ы х — каждый
23
параметр контролируется на своей измерительной позиции. В массо­
вом производстве широко используются контрольно-сортировочные
много- и однопозиционные автоматы.
Особое место в автоматических средствах послеоперационного
контроля занимают координатно-измерительные машины (К И М ),
которые позволяют автоматизировать многопараметрический конт­
роль сложных корпусных деталей даже в условиях мелкосерийного и
единичного производства.
24
Глава 3. Средства автоматического контроля
размеров
Наиболее важными элементами средств автоматического конт­
роля являются измерительные устройства, которые могут иметь шка­
лу , быть бесшкальными или комбинированными.
Шкальные приборы, имеющие шкалу для визуального наблю­
дения, наименее интересны для данного раздела, так как по сути
работы требуют постоянного присутствия оператора у измеритель­
ной позиции. В автоматическом контроле шкальные приборы приме­
няют для настройки бесшкальных или периодической проверки
правильности работы автоматических средств измерения.
Бесшкальные измерительные устройства использую т при
контроле предельных значений контролируемых параметров (шупы,
шаблоны, калибры).
Комбинированные измерительные устройства объединяют
метрологические возможности приборов первых двух групп.
Все автоматические средства активного и пассивного контроля
в качестве измерительного устройства используют первичные преоб­
разователи (датчики), которые в зависимости от принципа действия
разделяются на пневматические, электроконтактные, индуктивные,
емкостные, механотронные, фотоэлектрические, радиоактивные и
пр. Первичные преобразователи (датчики) преобразуют изменение
контролируемого линейного размера в выходной сигнал информации,
используемый для управления ходом технологического процесса.
3.1. Пневматические средства измерения
П невм атические приборы впервые бы ли использованы в
машиностроении для измерения линейных размеров в 1928 г. В конце
'Ю-х годов, с началом автоматизации и механизации производственаых процессов интерес к этим методам измерений значительно воз■•ос и началось интенсивное внедрение малогабаритных приборов
15
вы сокого давлен ия, в особенности диф ф еренциальных пнев­
матических приборов, выгодно отличающихся по своим показателям
от других пневматических средств измерений. В настоящее время они
находят широкое применение при контроле размеров наружных и
вн утрен ни х цилиндрических поверхностей, размеров м алы х
отверстий, конусов, геометрической формы деталей, расстояний
между осями отверстий, малы.х перемещений, суммы или разности
отклонений нескольких размеров. Пневмоизмерения нашли широ­
кое применение в приборах автоматического и активного контроля в
контрольно-измерительных и сортировочных автоматах, измеритель­
ных приспособлениях и системах.
Эти приборы обладают высокой надежностью в работе, высокой
точностью (цена деления шкалы у этих приборов может достигать
значения 0,0001 м м ), простотой обслуживания и низкой стоимостью.
Поскольку пневматические приборы могут использовать бесконтак­
тный метод, они позволяют с высокой точностью измерять размеры
легко деформируемых деталей, изготовленных из эластичных ма­
териалов или тонкостенных изделий.
Кроме этого, пневматический метод позволяет передавать
измерительную информацию на значительные расстояния без иска­
жений. Это позволяет помещать в удобное для оператора место
отсчетное устройство, оставив в зоне измерения лишь миниатюрное
измерительное сопло.
Необходимость системы сжатого воздуха, специальной аппара­
туры для его очистки и стабилизации давления, а также относительно
высокая инерционность несколько сужают область применения пнев­
матических приборов.
Принцип действия рассматриваемых приборов следующий.
Если находящийся под давлением в камере (воздуховоде) воздух
выпускать через небольш ое отверстие (сопло) в атмосферу, то
количество, вытекающего в единицу времени воздуха (расход) будет
зависеть от давления в камере и площади рабочего сечения сопла.
При постоянном давлении в камере расход будет зависеть только от
размеров выходногоотверстия. Если рядом ссоплом поставить какойлибо предмет, мешающий выходу воздуха, то давление в камере
возрастает. Оно будет тем больше, чем ближе к торцу сопла будет
находиться этот предмет и будет падать при увеличении зазора меж­
ду ними. Такое сочетание сопла и предмета получило название
"сопло-заслонка". При пневматических измерениях (рис.4а) в каче­
стве заслонки может быть использована поверхность измеряемой
детали I (при бесконтактном методе) или элемент прибора, который
26
1'Ь
с
^
777777^7
Рис. 4. Возможные варианты "сопло-заслонка"
изменяет свое положение относительно сопла с изменением конт­
ролируемого размера (рис.4б, в). '
Пневматические приборы по принципу преобразования делятся
на приборы, измеряющие изменение давления и изменение расхода
воздуха. Приборы, работающие по первому принципу, измеряют
зазор между соплом 2 и заслонкой I по изменению давления в камере
или воздуховоде. Изменение давления регистрируется по шкале ма­
нометра, проградуированной в единицах длины. Эти приборы назы­
вают манометрическими.
Принципиальная схема манометрического прибора приведена
на рис.5. В рабочую камеру / подается предварительно очищенный
от пыли, влаги, масла и т.п. воздух. Давление в этой части камеры
постоянно. В перегородке камеры расположено входное сопло 2
диаметром (1\. Из правой части камеры воздух выходит в атмосферу
через измерительное сопло 4 диаметром с/г. При этом расход будет
зависеть от зазора 5 между соплом и заслонкой (поверхностью де­
тали ) 5. Изменение зазора 5 (размера детали) будет вызывать
27
Рис. 6. Пневматичекий прибор с пружинным манометром
пропорциональное изменение измерительного давления
в камере
между входным и измерительными соплами. Изменение давления,
как говорилось выше, регистрируется манометром 3.
Достаточно популярным прибором манометрического типа
является пневматический длинометр, широко известный под на­
званием "Солекс". Этот прибор в качестве отсчетного устройства
использует шкалу водяного манометра. В приборах автоматического
контроля вместо водяного манометра применяют пружинные элект­
роконтактные манометры (рис.6).
И з пневмосети воздух поступает в фильтр-стабилизатор /, где
он очищается и стабилизируется до давления 0,2 МПа (2 кг/см ),
контролируемого манометром 2. Далее воздух через регулируемое
входное сопло 3 подается к измерительным соплам пневматической
^пробки 6, контролирующей размеры отверстия в детали 7. Контроль
за измерительным давлением осуществляется по манометру 4, прог­
радуированному в микрометрах. Д ля автоматизации контроля мано­
метр 4 снабжен подвижными электрическими контактами, которые
располагают по границам допустимых отклонений проверяемых разме­
ров. При выходе контролируемого размера за пределы допуска мано­
метр дает электрический сигнал, который может быть использован
подналадчиком или другим управляющим исполнительным меха­
низмом.
Б о л ее соверш енной схем ой изм ерения является диффе­
ренциальная схема (рис. 7), состоящая из двух ветвей.
В одной ветви, состоящей из входного сопла / и измерительного
сопла 2, которое контролирует изменение размера детали 3, расход
28
определяется измеритель­
ным давлением Р к . Дру­
гая ветвь, включающая
входное сопло 5 и сопло 4 с
предварительно установ­
л е н н ы м за зо р о м 5сопзь
имеет постоянный расход,
которому соответствует
давление Р » . Эта ветвь
обы чно носит название
"ветвь противодавления".
Дифференциальная
схема менее чувствитель­
на к колебаниям рабочего
д а в лен и я , так как она Рис. 7. Дифференциальная схема пневматичес­
р е ги стр и р у ет разность кого прибора
двух давлений Р „ и Р„ . В
качестве измерителя 6 этой разности применяют сильфонные, мем­
бранные, реже — жидкостные манометры. Дифференциальная схема
может быть применена также для измерения разности размеров двух
деталей (образцовой и обрабатываемой) или разности двух размеров
одной детали (овальность, конусность, гранность). В этом случае
ветвь противодавления заменяется второй измерительной ветвью.
П ринцип
работы
пневматического диффе­
р е н ц и а ль н о го прибора,
использующего в качестве
и з м е р и т е л я си льф о н ы ,
поясняет рис. 8. Сильфоны
/О и б имеют запаянные
концы, прикрепленные к
жесткой рамке 2, установ­
ленной на плоских пружи­
н а х.
Д р уги е
концы
н еп одви ж н ы е. П о л о с т ь
си льф он а /О св я за н а с
измерительной ветвью, а
полость сильфона 6 — с
ветвью противодавления.
Рис. 8. Схема сильфонного дифференциального
П ер ед н а ч а ло м работы
пневматического прибора
прибор в ы ста р ля ется в
29
нулевое положение. Для этого под измери гельное сопло 8 помещают
либо образцовую деталь, либо блок концевых мер 9, размер которого
соответствует номинальному размеру обрабатываемой детали.
Стабилизированный и очищенный воздух подается в центральную
ветвь прибора и через входные сопла поступает в полости сильфонов.
Из сильфона М) он выходит через измерительное сопло 8 в атмосферу,
а из сильфона 6 — через сопло противодавления, выходное сечение
которого может меняться винтом 7. В процессе настройки прибора на
ноль именно этим винтом выравнивается давление в измерительной
вегаи и ветви противодавления.
При работе на измерительную позицию вместо блока концевых
мер устанавливают контролируемую деталь. Изменение ее размера
по сравнению с установочной мерой вызовет изменение зазора А и
нарушит равенство давлений в сильфонах. что вызовет смещение
рамки 2 и изменение положения регулируемых контактов /, замы­
кание которых обеспечивает передачу информации о размере конт­
ролируемого объекта. В существующих приборхтх число контактов
достигает восьми, что позволяет не только следить за текущими зна­
чениями измеряемого размера, но и давать команды исполнительным
органам станка на изменение подачи, переход на выхаживание, под­
наладку и пр.
Для визуального наблюдения прибор имеет шкалу 5 и указатель
4, приводимый в движение от рамки 2 рычажно-зубчатым механизмом
3. При правильном выборе параметров схемы и сильфонов погрешность
таких приборов не превышает десятых долей микрометра.
Прибор, работающий
по диф ф ерен ц и альн ой
схеме, в качестве изме­
рителя может использоР=сош1
вать мембраны (р и с.9 ).
Чувствительным элемен­
том здесь является рези­
новая или резинотканевая
мембрана /, закрепленная
в корпусе 2. В накладные
шайбы
3
мембраны
вмонтирован контакт 4, а в
корпус — регулируемый
контакт 5. Д ля удобства
Рис. 9. Схема дифференциального
визуального наблюдения
пневматического прибора с мембраной
за состоянием мембраны и
30
&
Рис. 10. Типовые схемы пневмагических измерений размеров
контактов корпус выполнен из прозрачного оргстекла. У зел противо­
давления 6 представляет собой сопло с конической иглой-заслонкой,
обеспечивающей тонкую регулировку потиводавления. Обе ветви
пневматической схемы имеют входные сопла 7.
Мембранный прибор работает аналогично рассмотренному вы­
ше сильфону. Вследствие малого хода мембраны (0.1— 0.3 мм) замы­
кание и размыкание контактов могут происходить практически при
нулевой разности давления в пневмоветвях, что значительно повы­
шает чувствительность прибора. Его погрешность может не превы­
шать долей микрометра. На рис. 10 показаны типовые схемы
измерений, использующие пневматические преобразовател ии зм е­
рение пневматической скобой толщины изделия (а ); измерениесред­
него значения диаметра (б ); измерение диаметра проволоки в
процессе изготовления или перемотки (е ); определение перпендику­
лярности оси отверстия базовому торцу (г ); измерение торцового и
радиального биения (д ); измерение огранки (е,ж ); определение
величины овальности отверстия (а ); определение разности размеров
сопрягаемых деталей (и ,к ); измерение расстояния между осями
отверстий (л );
Наиболее широко пневмоизмерительные приборы применяются
в качестве средств активного контроля на финишных операциях. На
рис. 11 приведена принципиальная схема универсального прибора
для контроля диаметра валов I с гладкими или прерывистыми повер­
хностями при их обработке на круглош лиф овальны х станках.
Прибор устанавливается на столе станка к при помощи гидропривода
12 перемешается в положение "измерение".
31
Измерительная головка выполнена в виде скобы с плавающими
губками 2 и 13. Обе губки имеют независимую подвеску на плоских
пружинах 6 и I I . Одна из губок несет винт-заслонку 3, а другая —
измерительное сопло 4. Измерительные поверхности губок выполне­
ны из твердосплавных вставок цилиндрической формы. Измеритель­
н ое у с и л и е со зд а ется п р уж и н ой 5. У п о р 7 не п о з в о л я е т
измерительным наконечникам проваливаться во впадины при
шлифовании прерывистых поверхностей, так как во время касания
упора измерительные поверхности губок сходятся лишь на рассто­
яние 0.01— 0.015 мм меньше окончательного размера обрабатывае­
мой детали. Это предохраняет измерительные наконечники от
жестких ударов. Инерционность прибора позволяет отсчетному ус­
тройству не воспринимать эти "провалы". В качестве отсчетно-командного устройства в данной схеме применен дифференциальный
сильфонный прибор 9. Винтом противодавления 10 осуществляется
грубая настройка на'размер. Команды прибора для управления техно­
логическим циклом станка снимаются с регулируемых контактов 8.
Пример использования прибора на внутришлифовальных опе­
рациях приведен на рис. 12. Алмазные наконечники I наружных
измерительных рычагов 2 под действием измерительного усилия,
создаваемого пружинами 5, прижимаются к обрабатываемой по­
верхности отверстия. При изменении диаметра перемещение наруж­
ных рычагов передается на внутренние рычаги I I , связанные с
наружными крестовым плоскопружинным шарниром (на схеме не
указаны) и далее, через регулируемый упор 6 на ра м к у 7 с
32
9
10
11
Рис. 12. Измерительная головка к внутришлифовальному станку
пружинным параллелограммом. Перемещение рамки с измеритель­
ным соплом 9 вызывает изменение зазора между ним и заслонкой 10.
Изменение давления в измерительной ветвц, связанное с изме­
нением указанного зазора, преобразуется отсчетно-командным уст­
ройством (аналогичным изображенному на рис. 11) в электрические
сигналы для управления станком и показания на шкале — для визу­
ального наблюдения. Прибор имеет арретирующее устройство 3 и
блокировку 4, запирающую при переналадке головки внутренние
рычаги.
Обработка сопряжений по 4 — 5 квалитетам требует обеспе­
чения допуска натяга или зазора в пределах 1— 2 мкм, что является
достаточно сложной технологической задачей. Д ля получения таких
сопряжений в основном пользуются индивидуальной пригонкой, а в
массовом производстве— селективной сборкой. Оба технологических
приема являются дорогостоящими операциями. Поэтому в настоя­
щее время вместо них широко применяют способ сопряженной обра­
ботки, при котором сопрягаемая поверхность одной из деталей (чаще
отверстие) изготавливается со сравнительно большим экономически
целесообразным допуском, а затем к каждой втулке автоматически с
помощью прибора активного контроля подгоняется вал и обеспечива­
ется требуемый зазор или натяг.
Схема прибора активного контроля при сопряженной обра­
ботке строится таким образом, чтобы его показания или выдача
команд на исполнительные органы станка зависели только от раз­
ности размеров сопрягаемых деталей. Прибор активного контроля
33
Рис. 13. Схема прибора дифференциального типа для сопряженного шлифования
ДЛЯ сопряженного шлифования дифференциального типа (рис. 13)
имеет сильфонное отсчетно-командное устройство, в котором вместо
ветви противодавления включена ветвь 1 для измерения диаметра Ох
втулки 2. Другая ветвь скобы 4 служит для измерения диаметра 02
обрабатываемого вала 5.
Д ля того чтобы независимо от диаметра 0\ отсчетно-командное
устройство 3 выдавало команду на окончание обработки вала при
достижении зазором (натягом) требуемого значения, необходимо,
чтобы обе измерительные ветви имели одинаковое передаточное
отношение. При большем диаметре очередной втулки, т.е. при
увеличении зазора на определенное значение, команда на окончание
обработки будет выдана только тогда, когда зазор 2,2 увеличится на
это же значение, т.е. диаметр О 2 шлифуемого вала станет больше на
это же значение. Таким образом, зазор в сопрягаемых парах будет
постоянным.
На рис. 14 представлена схема аналогичного прибора, использу­
ющего недифференциальный принцип измерения. Он также имеет
отсчетно-командное устройство 3, измерительную скобу 4 для изме­
рения диаметра О 2 обрабатываемого вала 5 и изм ерительную
позицию I д ля изм ерения диаметра 0\ ранее обработанного
отверстия втулки 2. В отличие от предыдущей схемы измерительные
сопла скобы 4 и позиции / включены в одну измерительную ветвь.
Постоянство зазора (натяга) в сопрягаемой парс независимо от раз­
мера 0\ обеспечивается при условии 2 ] + 2 2 = со п з!.
Из схемы видно, что увеличение размера 0\ вызовет умень­
шение 2\ поэтому команда на окончание обрг<ботки придет лиш ь при
34
Рис. 14. Схема прибора недифференциального тина для сопряженного
шлифования
увеличении 2,2, а следовательно, и О г на ту же величину. Таким
образом, зазор в сопрягаемой паре останется постоянным.
Использование приборов активного контроля для сопряженного
шлифования экономически целесообразно в серийном и мелко­
серийном производстве и обеспечивает получение сопряжений высо­
кой точности без ручной пригонки.
При обработке деталей на бесцентрово-шлифовальных станках
активный контроль в зависимости от вида обработки осуществляется
двумя способами: подналадкой (при обработке на проход) или конт­
ролем размеров деталей в процессе обработки с выдачей команды на
прекращение обработки (врезанием). Подналадчики могут испольг
зоваться и во втором случае, когда габариты или компоновки зоны
обработки не позволяют разместить там ни прибор автоматического
контроля, ни даже измерительную головку.
Подналадчик (рис. 15) предназначен для контроля наружной
цилиндрической поверхности деталей после их обработки на проход
на бесцентрово-шлифовальных станках. Его измерительное устрой­
ство расположено непосредственно в зоне обработки и контролирует
детали, перемещающиеся на ноже станка, в калибрующей зоне
шлифовального круга. Отсчетно-командный блок смонтирован на
шлифовальной бабке для большего удобств;! работы с ним наладчика.
Диаметр обрабатываемых деталей измеряют двухконтактным мето­
дом. Нож 5 станка служит неподвижным базовым наконечником.
Подвижный наконечник укреплен на верхнем измерительном рыча­
ге 4 подналадчика, под которым проходят обрабатываемые детали.
Для ограничения провала верхнего наконечника во впадины между
35
деталями прибор снабжен
р е гу ли р у ем ы м уп ором 3
Так как подналадчик конт­
ролирует только верхнюю
границу поля допуска обра­
батываемых деталей, б л о ­
ки р овк а э л е к т р и ч е с к о й
схемы при провале отсутст­
вует. Д ля удобства визуаль­
ного наблю дения стрелка
отсчетного устройства за­
держ ивается на тек ущ ем
зн ачен ии
р а зм ер а
с
помощью обратного клапана
6. Измерительный импульс
передают при подъеме рыча­
га 4 через регулируем ую
т^у-ггггт-т-гтт-ггт-гт,
пятку 2 на измерительное
Рис. 15. Схема подналадчика
шариковое сопло I , вклю ­
ченное в измерительную цепь отсчетно-командного устройства.
П о результатам измерения подналадчик выдает следующие ко­
манды: при прохождении годных деталей на пульте станка и н;
отсчетно-командном устройстве горит сигнал "годные"; при прохож
дении первой детали с наружным размером больше настроечного
выдается команда на подналадку станка. После определенной вы
держки сигнал "подналадка" снимается автоматически.
П осле подачи очередной команды на подналадку цепь передачи
этой команды отключается на 1— 30 с, для того чтобы все детали,
находящиеся между кругами, прошли. Если давление воздуха в пнег
мосети падает ниже 0.32 МПа, подналадчик подает команду на остснов стан ка. П о д н ала д ч и к п о зв о ля ет р е гу л и р о в а ть разм ерь
обрабатываемых деталей в заданном диапазоне и осуществлять визу альный контроль размеров деталей по шкале отсчетно-командного
устройства.
Существующее разнообразие конструкций пневматических при­
боров активного контроля не позволяет более подробно останавливаться
на рассмотрении конкретных устройств, тем более что структура этих
приборов практически одинакова. Все приборы состоят из отдельных
унифицированных блоков — устройств, которые по выполняемым
функциям разделяют на измерительные позиции, преобразователи и
отсчетно-командные устройства.
36
Основными достоин'ствами приборов активного контроля
являются:
— высокая производительность обработки, достигаемая за счет
многостаночного обслуживания и автоматического контроля разме­
ров без остановки станка,
— возможность предупреждения брака;
— улучшение условий труда станочников.
3.2. Электроконтактные средства измерение
Электроконтактные преобразователи преобразуют линейные
перемещения измерительного стержня в электрические сигналы —
команды, реализуемые посредством замыкания или размыкания
электрических контактов.
Электроконтактные преобразователи подразделяются на пре­
дельные и амплитудные. Первые осуществляют выдачу сигналов —
команд при достижении контролируемым размером заданных пре­
дельных значений. Вторые применяют для контроля отклонения
формы и вьщают сигнал— команды, когда отклонение от правильной
геометрической формы детали достигло заданного допустимого зна­
чения независимо от размера самой детали. В приборах активного
контроля используют только предельные электроконтактные преоб­
разователи. Они же наиболее часто применяются в средствах авто­
матического контроля.
На рис. 16 представ­
лен двухпредельный электр о к о н т а к т н ы й
п р ео бр а зо в атель м одели
228, выпускаемый заводом
"Калибр". Измерительный ^
стержень 8 перемещается в
направляющих бронзовых
втулках, запрессованных в
корпусе 4. Вилка 3 с регу­
лируемым пазом, в который
входит запрессованный в
к о р п ус н а п р а вля ю щ и й
ш тиф т,
п р ед охр а н я ет
измерительный стержень от
п р овор ота. Перемещение Рис. 16. Электроконктактный двухиредельный
преобразователь
измерительного стержня в
37
процессе настройки датчика регулируется микрогайкой 2, которая по
окончании настройки отвинчивается на 1.5— 2 оборота. Измеритель­
ное усилие создается пружиной 6, которая крепится одним концом к
корпусу преобразователя, а другим — к хомутику 7. Сверху, в рас­
точке корпуса, винтом крепится измерительная головка 9 для визу­
а л ь н о го н а блю д ен и я . И зм ер и те л ьн ы й нак онечни к го л о в к и
контактирует с верхним торцом измерительного стержня преобразо­
вателя. Пластмассовая планка I I с рычагом 12 и настроечными
микровинтами 10 к 13 образует самостоятельный узел. Рычаг 12
подвешен на кресте из пружин и имеет по краям два контакта.
Верхний закреплен жестко, а нижний, поджатый плоской пружиной
15, может перемещаться, что позволяет поворачиваться рычагу на
небольшой угол после замыкания контакта. В торцы винтов 14 за­
прессованы настроечные контакты. Настроечные микровинты имеют
барабаны с ценой деления 0.002 мм, которые используют для на­
стройки. Связь рычага 12с измерительным стержнем осуществляется
через хомутик 7 с твердосплавным ножом на конце, опирающимся на
корундовый штифт 5, образующий малое плечо рычага 12. Переме­
щение измерительного стержня вызывает поворот рычага и замы­
кание или размыкание контактов.
Настройка датчика осуществляется по блокам концевых мер с
разм ерам и , соответствую щ им и предельны м размерам конт­
ролируемой детали. Помещая под измерительный наконечник I
блоки концевых мер поворотом настроечных микровинтов 10 и 13,
добиваются такого положения, при котором малейший выход разме­
ра за настроечные границы вызывает надежное замыкание соответ­
ствующих контактов. Рассмотренный тип преобразователя широко
применяется в многомерных контрольных приспособлениях, конт­
рольно-сортировочных автоматах, подналадчиках, упорах и т.п.
Н а рис. 17 приведены принципиальные схемы различных
амплитудных преобразователей, используемых, как правило, для
контроля овальности и гранности.
Сравнивая приведенные схемы, следует отметить, что у преоб­
разователей с плавающим контактом (рис. 17а) и с "ломающимся"
рычагом (рис. 176), угол поворота центрального рычага изменяется
в зависимости от размера контролируемой детали. Возникающая при
этом погрешность зависит от поля рассеивания размеров контроли­
руемых деталей. Кроме этого, возникает дополнительная погреш­
ность и з-за н е ли н ей н ой зависимости м еж ду п ерем ещ ени ем
измерительного стержня и углом поворота разноплечного рычага.
Указанного недостатка лишена схема с фрикционным сектором
38
н
1
1
-
-н
о
Рис. 17. Схемы амплитудных датчиков
(рис. 17в). Датчики с плавающим контактом и "ломающимся" рыча­
гом обладают большой инерционностью, низкой чувствительностью
и повышенным износом контактов.
На рис. 18 приведены схемы автоматического контроля наружных
диаметровс/идлин/сприменениемалектроконтактныхпреобразователей.
Измерительный стержень 4 (рис. 18а) контролирует переме­
щение предельного калибра — скобы 3 в направлении измеряемой
детали 2 (или I ) . При прохождении непроходной стороной детали с
размером, меньшим допустимого, замыкается контакт 6 и датчик
выдает сигнал "брак неисправимый". Если размер детали превышает
верхний предел, то замыкание контакта 5 предупредит оператора об
•"исправимом браке". В случае годных деталей контакты 5 и 6 разом­
кнуты и горит табло "годные". Кроме светового табло, формируемые
сигналы могут использоваться для автоматической сортировки изго­
товленных деталей. На рис. 186 показано применение конусного ка­
либра 7, сблокированного с электроконтактным датчиком для
контроля и или I партии деталей. На рис. 18о,г представлены схемы
контроля размеров изделий непосредственно электроконтактным пре­
образователем 8 к 10 при базировании по плоскости или в призме 9.
Рис. 18. Типовые схемы апгоматичсского контроля наружных размеров
39
л
ЛпД
Д-
1
^ 10
и
Рис. 19. Типовые схемы автоматического контроля диаметра отверстия
Устройство для контроля диаметра валиков с качающимися рычагом
I I показано на рис. 183. Контроль деталей по схеме "ножницы" 12
(рис. 18е) обладает преимуществом по сравнению с некоторыми пре­
дыдущими, так как он не учитывает погрешности базирования де­
тали 13 по высоте.
Т иповые схемы автоматического контроля диаметров отве рстий
показаны на рис. 19.
Принцип работы устройства (рис. 19а), использующего пре­
дельный калибр — пробку 2 с односторонним расположением проход­
ной и непроходной сторон для контроля диаметра отверстия I ,
идентичен описанному выше (со скобой). Схема, предложенная на
рис. 19б, может считаться обратимой, так как позволяет конт­
ролировать диаметр отверстия при помощи конусного калибра 3 и
оценивать годность конических роликов. Рычажная система 4 типа
"ножниц" с обратными измерительными наконечниками (рис. 19е)
может быть использована для контроля отверстий. К он тр оль
отверстий малого диаметра осуществляют с помощью рычажного
устройства, изображенного на рис. 19г. При касании шарового нако­
нечника 6 правой стороны проверяемого отверстия 14 подвижные
штифты 8 п 10 устанавливают по плоскости 9. Затем, поворачивая
рычаг 13 на оси 7, касаются шаровым наконечником левой стороны
контролируемого отверстия. Если диаметр отверстия лежит в задан­
ных пределах, замыкается контакт 12. При контроле отверстий с
диаметром, большим предельно допустимого значения, замыкаются
контакты и и 12, меньшим — оба контакта разомкнуты.
40
Рис. 20. Типовые схемы автоматического контроля отклонения формы и располо­
жения поверхностей
Контроль межосевого расстояния может осуществляться по схе­
ме, предложенной на рис. 20а. Измерительные наконечники 2, вы­
полненные в виде калиброванных конусов (или шариков), вводят в
отверстия контролируемой детали /. В зависимости от межосевого
расстояния рычаг 3, поворачиваясь вокруг оси замыкает контакты 4
и выдаст на световом табло измерительную информацию "годно" или
"брак".
Значительно повысить производительность контрольных опе­
раций позволяют многомерные приспособления, осуществляющие
контроль нескольких параметров на одной измерительной позиции.
На рис. 206 представлена схема для одновременного контроля сред­
него значения диаметра и конусообразности цилиндрических дета­
лей или среднего диаметра и конусности конической детали 5.
Диаметральный размер контролируется датчиком при вертикальном
перемещении измерительного стержня 7, а конусообразность —
горизонтальным перемещением измерительного стержня 6. Гю схе­
ме, приведенной на рис. 20о, осуществляют при помощи датчиков 9
я I I одновре.меиный контроль дшметров детали 8 на базовой длине и
конусности датчиком К).
В настоящее время многие контрольные и контрольно-сортиро­
вочные автоматы, выпускаемые отечественной промышленностью,
оснащены электроконтактны.ми преобразователями, укомплекто­
ванными командными и светофорными устройствами, позволяю­
щими осущ ествлять визуальные наблюдения и автоматическое
управление исполнительными органами станков.
41
Основными недостатками этих датчиков являются подгорание
контактов и необходимость их периодической зачистки, а также
чувствительность к попаданию влаги в корпус преобразователя.
3.3. Индуктивные и емкостные средства измерения.
Механотроны
Общим признаком рассматриваемых в этом разделе приборов
является преобразование линейных или угловых перемещений
измерительного наконечника в электрический сигнал. Эти приборы
состоят из унифицированных блоков: первичного преобразователя,
электронного усилителя сигнала, вторичного преобразователя уси­
ленного сигнала в форму, удобную для регистрации или управления
исполнительными органами станка или контрольного автомата.
Индуктивные преобразователи (рис. 21а,б,е), используемые в
качестве первичных, являются устройствами, которые преобразуют
линейные или угловые перемещения измерительного стержня У, свя­
занного с якорем 2, в изменение индуктивности катушки 3.
Изменение индуктивности может происходить либо в результа­
те изменения зазора .5 между якорем и сердечником — магнитопроводом катушки (рис. 21а), либо в результате изменения площади
перекрытия якорем поверхности сердечника (рис. 21б,о). Для повы­
шения чувствительности прибора сердечник катушки изготовляют
из ферромагнитного материала.
V,
Рис. 21. Индукти11|||,к-, СМКОС111ЫС и мехаиц|р<т|1ыс иресюрт.илшюли
42
Преобразователи, использующие принцип изменения зазора,
обладают повышенной чувствительностью, но меньшим диапазоном
измерения. Цена деления этих приборов составляет 0.05— 5 мкм.
Индуктивные преобразователи могут быть простыми (рис. 21а,б)
и дифференциальными (рис. 21е). Простые преобразователи содержат
одну и зм ер и тел ьн ую ветвь, а диф ф еренциальны е — две. В
индуктивных преобразователях с дифференциальной схемой переме­
щение якоря вызывает равные изменения индуктивности одновременно
в двух одинаковых катушках, но с разными знаками. Такая конст­
рукция менее восприимчива к колебаниям частоты и напряжения пита­
ющей сети и изменениям температуры окружающей среды, так как эти
помехи вызывают одинаковые отклонения характеристик отрицатель­
ной и положительной измерительных цепей. Кроме этого, дифферен­
циальные датчики более чувствительны, чем простые, используюгдие
аналогичные методы измерения индуктивности.
По конструктивному оформлению индуктивные преобразова­
тели подразделяют на преобразователи осевого и бокового действия.
Первые в основном применяются для измерения линейных размеров,
вторые очень удобны при контроле величины торцового биения.
В емкостных приборах в качестве преобразователя используется
конденсатор, емкость которого меняется в соответствии с линейными
перемещениями измерительного стержня, а электронный блок пред­
ставляет собой устройство, предназначенное для измерения емкости.
Емкостные преобразователи представляют собой плоскопарал­
лельный (рис. 21г) или цилиндрический (рис. 21д,е) конденсатор, у
которого имеется подвижная обкладка 2, соединенная с измеритель­
ным стержнем У и неподвижная обкладка 5. Они разделены воздуш­
ным зазором. Изменение емкости в этих преобразователях может
осуществляться аналогично индуктивным либо за счет изменения
расстояния между обкладками (рис.21г), либо за счет изменения
площади их взаимного перекрытия (рис. 21д,е).
Емкостные преобразователи могут быть простыми (рис. 21г,д) и
дифференциальными (рис.21е). Простые, работающие по методу
измерения площади взаимного перекрытия (рис. 216), представляют
собой два соосных цилиндра (наружный и внутренний), разделенных
воздушным зазором.
Дифференциальные преобразователи также используют оба
метода изменения емкости. При изменяющемся зазоре они имеют в
неподвижной части четное число (как минимум две) плоских обкла­
док круглой или прямоугольной формы и как минимум — одну
подвижную обкладку, соединенную с измерительным стержнем и
43
.отсполсженную между ними. Дифференциальные преобразователи
с изменяющейся плопщдью взаимного перекрытия также имеют две
неподвижные и одну подвижную обкладку цилиндрической формы.
Несмотря на сложность конструкции, дифференциальные датчики
применяют чаще, как обладающие более высокой чувствительностью
и менее восприимчивые к внешним воздействиям.
Емкостные датчики, обладая рядом достоинств (высокая
чувствительность, большой диапазон измерений, малые измеритель­
ные уси ли я). имеют ограниченное применение из-за большого элект­
ри ческого сопротивления, значительной чувстви тельн ости к
воздействиям внешней среды (особенно к перепадам температуры,
изменяющим как площадь обкладок, так и расстояние между ним и),
влияния соединительного кабеля преобразователя при промышлен­
ной частоте тока обладают недостаточной мощностью, что вызывает
необходимость применения генераторов высокой частоты для их
питания.
Рассмотренные нами индуктивные и емкостные преобразова­
тели обеспечивают измерения контактным методом. Однако они могу'т использоваться и при бесконтактных измерениях. В этих случаях
и зм ер я ем а я д е т а л ь играет роль л и б о подвиж ного якоря (у
индуктивны х п р еобр а зователей ), ли бо подвижной обкладки (у
ем к о стн ы х).
Механотрокы представляют собой электровакуумный прибор,
содержащий в схеме подвижный электрод, перемещаемый механи­
ческим п утем . М еханотроны сконструированы по принципу
радиолампы, являющейся вакуумным диодом или триодом. Приме­
няемый чаще вакуумный диод имеет неподвижный катод и под­
вижный анод. Механотроны оформлены в виде стеклянного баллона
4 (рис. 21 ж ), в одном торце которого расположены электрические
выводы (ножки лампы ), а в другом закреплена мембрана 5, изготов­
ленная из стальной ленты. Сквозь мембрану проходит стержень 1,
который может непосредственно являться измерительным, либо че­
рез п р о м е ж у т о ч н у ю п ер еда чу восп р и н и м ать п ер ем ещ ен и я
измерительного стержня контрольного устройства. Катод 2 вместе с
нитью накаливания крепиться к стеклянному баллону, а аноды 3 к
внутреннему концу стержня I. Перемещение стержня изменяет рас­
стояние между анодом и катодом, вызывая этим изменение анодного
тока. Следует, однако, иметь в виду, что при достижении определен­
ного (минимального) расстояния между анодом и катодом анодный
ток механотрона перестает зависеть от перемещений стержня и лам­
па переходит в режим насыщения.
44
Механотроны весьма чувствительны к изменению температу­
ры, вызывающей деформацию анода и катода и зазора между ними,
поэтому их включают за 20— 30 мин до начала работы для "прогрева".
Диапазон измерений механотрона составляет от ±100 мкм до
±1000 мкм, ценаделения может иметь значениедесятойдолимикрометра. Точность механотрона зависит от стабильности напряжения
питания и характеристики лампы. Механотроны применяются наря­
ду с индуктивными и емкостными преобразователями. Несмотря на
большие габариты по сравнению с этими преобразователями, меха­
нотроны имеют более простую измерительную схему и довольно ча­
сто применяются в автоматических средствах послеоперационного
контроля.
3.4. Фотоэлектрические и радиоактивные измерительнь:е
средства
К фотоэлектрическим измерительным средствам относят при­
боры, которые в качестве преобразователей используют фотоэлемен­
ты (фотоприемники). Фотоэлементы, являясь фотоэлектрическими
преобразователями, преобразуют световые сигналы в электри­
ческие, причем электрический сигнал зависит от освещенности
приемника. П о способу преобразования светового сигнала они делят­
ся на два вида. К первому относятся фотоэлементы, которые при
освещении их приемной поверхности вырабатывают электрический
ток (ф ототок), а ко второму — меняющие при освещении свое
сопротивление. В серийно выпускаемых нашей промышленностью
фотоэлектрических приборах преимущественно применяют фотоэ­
лементы второго вида, которые называются фоторезисторами
(фотосопротивлениями).
Фотоэлектрические приборы позволяют осуществлять измере­
ния контактным и бесконтактным методами (рис. 22а). Этот метод
иногда называют методом интенсивности, который заключается в
том, что в зависимости от размера детали или от ее перемещения
перекрывается часть л у ч е й , идущ их от источн ика света к
фотоприемнику, что вызывает изменение тока в электрической
цепи. П о этому изменению судят о размере детали или о величине ее
перемещения. Световой поток от источника I через оптическую
систему 2 и щелевую диафрагму 4 падает на фотоэлемент 5. Если на
пути следования лучей поставить объект 3, то в зависимости от его
размера, часть лучей не попадает на приемную поверхность фотоэле­
мента, что вызовет изменение тока в цегаг и будет зафиксировано на
45
Рис. 22. Фотоэлектрические и радиоактивные средства измерения
шкале амперметра 6. При контактном методе измерения вместо де­
тали 3 используется заслонка, соединенная с измерительным стерж­
нем прибора.
Применение фотоэлементов для определения размеров детали
крайне ограниченно, так как преобразователь имеет довольно
низкую точность. Это объясняется тем, что на результаты измерения
влияет посторонний свет, падающий на элемент, колебания яркости
источника освещения и питающего напряжения.
Фотоэлектрические преобразователи в приборах автоматичес­
кого контроля выполняют в основном задачу фиксации светового
потока. В схемах таких приборов фотоэлементы выполняют роль
реле.
Эксплуатируя фотоэлектрические приборы, необходимо пом­
нить, что при длительной работе наблюдается старение фоторезисто­
ров, выражающееся в том, что сопротивление начинает меняться
незначительно с изменением освещенности. Поэтому рекомендуется
периодически их выключать. После перерыва характеристика фото­
резистора восстанавливается.
Действие радиоактивных приборов основано на фиксации
радиоактивных излучений. Д ля определения линейных размеров
используют методы, основанные на поглощении радиоактивных
излучений при прохождении через материалы или их частичном
отражении. Радиоактивные приборы применяются для определения
толщины стенок или изделий, доступ к которым возможен только с
одной стороны.
На рис. 22б показаны две схемы измерения толщины изделия
радиоактивными приборами. От источника излучения / поток
46
радиоактивных лучей, пройдя через контролируемую деталь 2, попа­
дает в приемник 3, который формирует электрический сигнал в
зависимости от интенсивности принятого излучения. Интенсивность
же пройденных через деталь лучей будет зависеть от ее толщины и
материала ( при постоянном материале будет зависеть только от
толщ ины).
Вторая схема (рис. 22о) позволяет контролировать толщину
изделия ! по значению рассеивания радиоактивного потока, излуча­
емого источником 2, частично отразившегося от поверхностей прове­
ряемого изделия. Измеряя интенсивность отраженного потока,
можно судить о толщине изделия.
В обеих схемах электрические сигналы, возникающие в при­
емнике 3, усиливаются и преобразуются в удобной для регистрации
и управления вид электронным блоком 4 и контролируются по
отсчетному устройству 5.
Основными узлами радиоактивного прибора являются источник
излучения и приемное устройство.
Источники излучения изготавливаются обычно в виде ме­
таллических герметичных ампул, внутри которых помещено неболь­
шое количество вещества (сплавы, металлы, соли), содержащего
радиоактивный изотоп. В машиностроении используют в основном
источники;^- и у- излучений.
излучение применяют в устройствах
автоматического контроля для измерения толщины, плотности и веса
материала методом поглощения радиоактивных лучей. С использо­
ванием метода обратного рассеивания можно определять толщину
покрытий или концентрацию отдельных компонентов в материале.
На интенсивность излучения не влияют внешние условия (давление,
температура, магнитное поле и т.п.).
Приемники излучения, применяемые в радиоактивных прибо­
рах, используют в своих конструкциях принципы либо ионизации в
газах, либо ионизации в твердых телах. По первому принципу пост­
роена регистрация интенсивности излучения при помощи ионизации
камер или счетчиков, а по — второму люминесцентные счетчики.
Ионизационная камера (рис. 22г) представляет собой ме­
таллический сосуд /, внутри которого расположен изолированный
металлический стержень. Полость сосуда заполняется каким-либо
газом, чаще всего воздухом нормального давления. К корпусу и стер­
жню присоединены проводники электрической цепи. При облучении
газ, находящийся в камере, ионизуется. В результате разности по­
тенциалов сосуда и стержня положительные ионы газа перемещают­
ся к стенкам сосуда, а отрицательные — к стержню. Таким образом,
47
при облучении приемника в электрической цепи баллона возникает
электрический ток.
Широкое применение в устройствах автоматического контроля
получили галогенные счетчики (рис. 226). Счетчик напоминает •кон­
денсатор, имеющий в качестве одной обкладки тонкую нить /, изго­
товленную из вольфрама, железа или молибдена. В качестве другой
(цилиндрической) используется внутреннее покрытие стеклянного
баллона 2 проводящим слоем, либо вставленный в баллон тонкостен­
ный металлический цилиндр.
Полость баллона заполняется инертным газом (неоном или ар­
гоном) со специальными примеся.ми, позволяющими счетчику на­
дежно регистрировать две следую щ ие друг за другом частицы
(кванты). В этом случае галогенные добавки к газу позволяют быстро
погасить заряд в счетчике, вызванный первой частицей, чтобы успеть
зафиксировать новую. Галогенные счетчики имеют практически не­
ограниченный срок службы, не боятся перегрузок и позволяют
регистрировать 10^ импульсов в минуту.
В настоящее время в приборах автоматического контроля на­
чали применять сцинтилляционные счетчики, основанные на све­
ч ен и и н е к о то р ы х вещ еств (л ю м и н о ф о р о в ) под д ей ств и ем
радиоактивного и злучен и я. Однако их ш ирокое применение
ограничено сложностью конструкции и необходимостью специаль­
ных источников постоянного тока с высокой степенью стабилизации.
3.5. Контрольные автоматы и координатно-измерительные
машины
Контрольные автоматы составляют особую гр\ппу автомати­
ческих средств послеоперационного контроля и представляют собой
устройства, осуществляющие функции автоматического приема,
ориентирования, базирования, измерения, транспортирования и
браковки изделий. В результате контроля эти устройства производят
либо разбраковку, либо сортировку на селективные группы для пос­
ледующей сборки. Последние позволяют создавать точные изделия
из деталей, изготовленных с большими допусками.
Контратьные автоматы применяются в основном в крупно­
серийном и массовом типах производства. Их конструкции обуслов­
лены габаритами и конкретными параметрами измеряемых деталей.
Они отличаются большим разнообразием компоновок и схем изме­
рения. Основными узлам и автоматов являются загрузочны е,
48
транспортирующие, измерительные, запоминающие, исполнитель­
ные устройства и приводы.
Загрузочные устройства осуществляют хранение и периодичес­
кую выдачу измеряемых деталей. Они изготавливаются в виде ма­
газинов или бункеров. Магазины более посты по конструкции, но
требуют ручной укладки и ориентирования в них деталей, предназ­
н а ч а ем ы х д ля кон тр оля. Б ункерн ы е устройства п озв оля ю т
принимать детали "навалом" из лотков готовой продукции металло­
режущих станков. Они имеют специальные устройства, позволя­
ющие осущ ествлять автоматическую ориентацию и поштучную
выдачу деталей на транспортирующие устройства.
Транспортирующис устройства обеспечивают доставку деталей
от загрузочного устройства на измерительные позиции. В автоматах
используют два типа тр;1нспортирующих устройств. Первый осуще­
ствляет перемещение деталей под действием их собственного веса,
второй (более надежный) перемещает детали принудительно.
Первый тип транспортирующих устройств использует наклон­
ные или вертикальные лотковые системы, второй — либо враща­
ющиеся диски с гнездами по периферии для размещения в них
деталей, либо ползуны, приводимые в движение рычажно-кулачко­
выми приводами. Вращающиеся диски более производительны, так
как не имеют обратного холостого хода.
Измерительные устройства являются самым ответственным уз­
лом автомата. Они содержат базирующие элементы и средства изме­
рения, которые выбираются в зависимости от веса, габаритов,
конфигурации измеряемой детали, от требований к точности и вы­
бранной схеме измерения. В качестве измерительных средств в авто­
матах применяются предельные калибры, клиновы е калибры
(принцип их работы приведен ниже на конкретном примере), элект­
роконтактные, пневматические, индуктивные и фотоэлектрические
преобразователи. Выбор принципа преобразования определяется
требованиями к точности измерения, допуском контролируемого
размера и производительностью автомата. Измерение может про­
водиться на подвижных деталях и в статике. Первый вариант более
производителен, но менее точен. Измерительные наконечники пре­
образователей могут контактировать с деталью непосредственно или
при помощи рычагов, подвешенных на плоских пружинах. При изме­
рении нескольких параметров в целях уменьшения габаритов и уп­
рощения схемы стараются эти измерения провести на одной позиции.
Запоминающие устройства применяются в автоматах, когда
процесс измерения и рассортировки происходит последовательно.
49
в таких случаях, как правило, деталь подходит к сортировочному
устройству, когда измерительную позицию уже прошли несколько
деталей. Поэтому запоминающее устройство "сообщает" испол­
нительному данные о результатах контроля, по которым и проис­
ходит сортировка деталей. Запоминающ ие устройства м огут
"помнить" информацию в течение одного цикла работы автомата
(кратковременные) и в течение нескольких циклов (долговремен­
ные). Вторые устройства применяются в автоматах, имеющих не­
сколько измерительных позиций, и основаны на электромеханической,
перфорационной или магнитной системах записи информации.
Исполнительные устройства предназначены для распреде­
ления деталей по лоткам, отсекам, бункерам в соответствии с
результатами контроля. Наибольшее распространение Получили
исполнительные устройства с наклонными лотками, по которым
детали перемещаются род действием собственного веса. В дне л о т ­
ка расположены заслонки, управляемые электромагнитами. При
получении команды в зависимости от результатов контроля соот­
ветствующая заслонка открывается и деталь проваливается в кас­
сету (ш ахту, бун кер ), отведенную для деталей именно этого
размера. В автоматах исполнительные устройства могут иметь
вертикальные или горизонтальные лотки с принудительным пере­
мещением. Иногда на горизонтальных лотках вместо заслонок
применяют стрелки, которые по типу железнодорожных, адресуют
детали по различным приемникам.
Приводы контрольных автоматов садержат электрическую и
механическую части. В электрическую в?(одят электродвигатель и
релейная схема, механическая содержит передачи и управляющее
устройство. Все автоматы предназначены, как правило, для контроля
только одной конкретной детали и работают по жесткому циклу, т.е.
последовательность всех операций и движений постоянны.
Управляют циклом при помощи кулачковых распределитель­
ных валов или специальных командоаппаратов. Кулачковые валы
вращаясь от электродвигателя, за время одного цикла делают полны;
оборот. Все движения исполнительных звеньев автомата, их про­
д о л ж и т е л ь н о с т ь , ск ор о сть, со гл а с о в а н н о сть о п р е д е ля ю тс я
профилями кулачков и их взаимным расположением на распреде­
лительном валу.
Командоаппараты — в принципе те же кулачковые валы, но
воздействуют они не на рычажные механизмы, как в первом случае,
а на электрические контакты, включение и выключение которых
кулачковым валом командоаппарата обеспечивают необходимую
50
последовательность работы исполнительных электромагнитов и пре­
образователей.
Сортировочный автомат (рис. 23а) имеет механическую изме­
рительную систему для рассортировки шариков подшипников. Он
имеет бункер I , откуда шарики по одному попадают в гнезда транс­
портирующего устройства 2, выполненного в виде цепи. Цепь пере­
мещается между двумя наклонными линейками 3 к 4. Линейка 4
выполнена с гладкой поверхностью, а линейка 3 имеет на поверх­
ности наклонные ребра, расположенные через одинаковые интерва­
лы. Поверхности линеек расположены под углом друг к другу и
образуют сужающуюся книзу щель. Это устройство иногда называют
клиновым калибром, так как расстояние между ребрами линейки 3 и
плоскостью линейки 4 образуют щели, которые в принципе являются
последовательно расположенными калибрами с убывающими пре­
дельными размерами. Настройка автомата на размер сортировочных
групп производиться изменением угла клина, образованного повер­
хностями линеек. Шарики, расположенные в гнездах цепи, переме­
щаются сверху вниз между линейками. Встречая ребро, расстояние
от которого до гладкой линейки меньше наименьшего диаметра
шарика, последний задерживается и по ребру скатывается в отво­
дящий лоток. Переналаживаемый автомат позволяет производить
рассортировку шариков диаметром от 4 до 10 мм с разностью разме­
ров соседних сортировочных групп от 1до 10 мкм с производительно­
стью 15— 18 тыс. шариков в час.
На рис. 23б изображена схема разбраковочного автомата, конт­
ролирующего кольца подшипников. Установленный непосредствен­
но за бесцентрово-шлифовальным станком, он может стать средством
активного контроля и периодически осуществлять иодналадку стан­
ка или при наличии подряд 3— 5 бракованных колец останавливать
станок. Поскольку принцип бесцентрового шлифования наружных
поверхностей не допускает ощутимого разброса размеров соседних
колец, шлифуемых на проход, то контроль на автомате осуществля­
ется выборочно (например, каждое третье или в зависимости от на­
стройки — пятое кольцо). Следовательно, до остановки станка через
автомат проходит от 9 до 25 бракованных колец.
Работает автомат следующим образом. Контролируемые кольца
поступают в автомат по наклонному лотку с путевым выключателем
4. Измерения не начинаются до тех пор, пока в лотке не наберется
3— 5 колец и последнее не включит путевой выключатель (количест­
во колец в партии регулируется положением путевого выключате­
л я ). При срабатывании путевого вы клю чателя 4 вклю чается
51
Й
Рис. 23. Контрольно-измерительные автоматы
электродвигатель 9, который через зубчатую передачу 8 начинает
вращать распределительный вал 7 с установленными на нем кулач­
ками I I . Каждый из кулачков при помощи толкателей и рычагов
управляет своей частью механизма. Так, первый кулачок (справа
налево) через рычаг 6 управляет работой отсекателя 3, второй пере­
мещает измерительную призму 5, третий поворачивает лоток 15 и
четвертый управляет работой сортировочного устройства. Распре­
делительный кулачковый вал через цепную передачу связан с валом
командоаппарата 10. Как только после команды путевого выключа•теля 4 кулачковый распределительный вал начинает вращаться,
отсекатель 3, управляемый первым кулачком, открывает путь коль­
цам. Они поступают на лоток 15, и последнее кольцо оказывается на
измерительной позиции, перекрывая луч, направляемый на фотоэ­
лемент источником света 16. Фотореле срабатывает, подтверждая
наличие кольца на измерительной позиции, и автомат в этом случае
продолжает работу.
От второго кулачка измерительная подвижная призма 5 пере­
мещается вверх, захватывает с лотка 15 последнее кольцо и подводит
его к неподвижной измерительной призме 2. Относительное поло­
жение этих призм, определяемое размером кольца, контролируется
трехпредельным электроконтактным преобразователем I . Одновре­
менно с началом перемещения призмы 5 приводится в движение
отсекатель 3, который задерживает поступление колец в кача­
ющийся лоток 15. В зависимости от размера контролируемого кольца
по команде от электроконтактного преобразователя включаются
(или не включаются) электромагниты 12, управляющие заслонками
14. Если кольцо признано годным, то оба электромагнита включены
и не дают заслонкам открыться. В этом случае вся партия колец
скатывается по верхнему лотку в сборник годной продукции. Если
кольца имеют диаметр больше предельного и могут быть обработаны
вторично, то верхний электромагнит выключается и, под действием
пружины 13 открывается верхняя заслонка. Партия колец про­
валивается на средний лоток и направляется в сборник деталей, под­
леж ащ их доработке. При размере кольца, меньшего предельно
допустимого, оба электромагнита отключаются, открываются обе
заслонки и кольца проваливаются на первый "этаж ", в лоток
неисправимого брака.
Автомат, схема которого представлена на рис. 23в предназначен
для контроля и последующей рассортировки роликов на 14 групп
(десять групп годных и четыре группы — брак, исправимый подлине
и диаметру, и неисправимый — по длине и диаметру).
53
Ролики, подлежащие контролю, засыпаются навалом в бункер
1, имеющий вращающийся от автономного электродвигателя /7 диск
с ячейками для роликов. Из бункера ролики сразу по две штуки
попадают в наклонный накопитель 2, откуда по одной штуке посту­
пают в в пазы постоянно вращающегося диска 3 и подаются вначале
на позицию 14, где осуществляется контроль ролика подлине, а затем
на позицию 13 — для контроля диаметра.
Информация о результатах контроля детали на 14 и 13 позициях
передается на запоминающее устройство, выполненное в виде бара­
бана 5, на цилиндрической поверхности которого закреплена коль­
цевая магнитная лента. Диск 3 и барабан 5 вращаются синхронно от
электродвигателя 9 через две одинаковые червячные передачи, со­
единенные жесткой муфтой 10.
Длина роликов контролируется трех предельным электроконтактным преобразователем 16. При этом информация о соответствии
размера по длине одной из групп разбраковки записывается в виде
сигнала по длине одной из дорожек магнитной ленты при помощи
соответствующей записывающей голойки блока записи 6. Ф ото­
электрический многодиапазонный преобразователь 15 при помощи
рычажной передачи осуществляет измерение диаметра ролика. Дан­
ные этих измерений записываются в виде сигнала на определенной
дорожке при помощи соответствующей головки второго блока записи 7.
Взаимосвязь электрических цепей автомата обеспечивается кулач­
ковым валом I I командоаппарата. В момент подхода ролика к сорти­
ровочному устройству 4 одна из головок 8 считывает с магнитной
ленты результаты контроля этой детали и в зависимости от размеров
диаметра и длины происходит включение и выключение электро­
магнитов 12, управляющих заслонками, и ролики рассортировыва­
ются в приемные отсеки по соответствующим размерным группам.
В последние 10— 15 лет начали погшляться принципиально новые
универсальные измерительные средства, называемые координатно­
измерительными машинами (К И М ). Координатно-измерительными
машинами называют автоматические средства для измерения линей­
ных и угловых размеров, а также для измерения отклонения формы
и расположения поверхностей и осей корпусных деталей. Координа­
тно-измерительные машины позволяют осуществлять перечислен­
ные виды измерений: в двух координатах X к У (рис. 24а), в трех
координатах — Х , У , 2 (рис. 246), и в четырех координатах — X , У,
2 плюс поворот на угол <р в плоскости ХО У.
Координатно-измерительные машины работают в двух режи­
мах. Они либо перемещают измерительный наконечник до контакта
54
Рис. 24. Координатно-шмерительные машины
С измеряемой поверхностью и при помощи счетных устройств опре­
деляют его положение в системе координат, либо измерительный
наконечник по заданной программе перемещается в точки, соответ­
ствующие номинальным значениям измеряемых размеров, а счетные
устройства позволяют оценить отклонения положения действитель­
ных поверхностей от номинального значения. В основном координа­
тно-измерительные машины работают в первом режиме.
Основными узлами машины являются направляющие, по кото­
рым перемещаются измерительная каретка с наконечником, отсчет­
ные и счетно-решающие системы.
Для уменьшения погрешности измерения координатно-изме­
рительные машины имеют либо направляющие качения, либо аэро­
статические направляю щ ие. А эростатические направляющ ие
высокоточных машин иногда изготавливаются из твердых каменных
пород, не подверженных температурным деформациям.
В качестве отсчстных устройств координатно-измерительные
машины используют специальные устройства — индуктосины, пред­
ставляющие собой в принципе электрическую машину, у которой
статор развернут в виде линейки с нанесенными печатным способом
обмотками на ее поверхности. В качестве отсчстных устройств могут
применяться и фотоэлектрические преобразователи, выполненные в
виде считывающих устройств.
55
Современные координатно-измерительные машины оснащены
ЭВМ , которая осуществляет обработку результатов измерения, пере­
счет значений размеров в зависимости от.положения произвольно
расположенной на столе машины измеряемой детали, распечатку
результатов измерения с указанием действительных значений раз­
меров или их отклонений от заданных значений и их цифровую
индикацию на специальном табло, а также руководит переме­
щениями каретки с измерительным наконечником, обеспечивая посл е д о в а т е л ь н о е а в т о м а т и ч е с к о е к а са н и е и з м е р и т е л ь н ы м
наконечником всех поверхностей, подлежащих контролю. Раньше
эта операция осуществлялась в соответствии с предварительно сос­
тавленной программой, введенной в ЭВМ. Существенным недостат­
ком метода являлась затрата времени на написание программы, ее
запись на программоноситель и отладку. Все это требовало привле­
чения к процессам измерения специалистов-программистов. Прог­
раммы составлялись для каждого типоразмера деталей. Современные
конструкции мащин позволяют оператору без программы быстро
обучить машину измерениям конкретной детали по всем интересу­
ющим параметрам. Для этого надо вручную (обучающий режим)
переместить каретку с измерительным наконечником, касаясь в
интересующих точках поверхностей, которые необходимо проконт­
ролировать. Машина "запоминает" эти движения и записывает их в
виде управляющей программы, которую потом используют для изме­
рения этих деталей. При необходимости программа записывается в
памяти машины и может быть использована через любой промежуток
времени.
Кроме измерений, координатно-измерительные машины нахо­
дят широкое применение при разметке корпусных деталей, которую
они осуществляют по предварительно составленной программе.
На рис. 24с представлен внешний вид отечественной координа­
тно-измерительной машины ВЕ-111. Эта машина позволяет про­
водить измерения и разметку по четырем координатам. Измеряемая
деталь 4 устанавливается на самоустанавливающихся домкратах 5
стола 6, осуществляющего при необходимости поворот детали вокруг
вертикальной оси. Перемещения по осям А" и 2 устройства 3 с
измерительным наконечником или разметочной головкой осуществ­
ляются при помощи каретки 2, которая поднимается и опускается по
направляющим колонки I (ось 2 ), и использует свои направляющие,
передвигая штангу с устройством 3 в горизонтальном направлении
(ось У ). Д ля измерений по оси X вся колонка перемещается по
направляющим основания 7. Перемещение каретки 2 по оси 2
56'
осуществляется вручную, а по осям X и У — при помощи элект­
родвигателя (возможно и ручное перемещение). Значения размеров
по четырем координатам отсчитывается с цифрового отсчетного уст­
ройства стойки 9 ЭВМ или распечатываются на бумажной ленте
автоматически пишущей машинкой 8. Существующие модели К И М
позволяют измерять и размечать детали размером от 400 до 16 ООО мм.
3.6. Цифровые приборы
Цифровые приборы в отличие от шкальных позволяют зна­
чительно повысить точность и производительность контрольных опе­
раций и исключить из процессов измерения погрешность оператора.
В настоящее время эти приборы широко внедряются в промыш­
лен н ость, вытесняя традиционные средства измерения. Д аж е
универсальный измерительный инструмент (штангенциркули, мик­
рометры, штангенрсйсмасы и др.) отечественного и зарубежного
производства оснащаются отсчетными цифровыми устройствами.
С внедрением в процессы обработки измерительной информа­
ции электронных цифровых устройств значительно возросла потреб­
ность в высокоточных приборах автоматического контроля линейных
и угловых размеров.
Среди существуюших методов и систем автоматического изме­
рения перемещений наибольшей точностью характеризуются фото­
электрические и индукционные устройства.
Первые работают по принципу использования двух периоди­
ческих шкал (подвижной и неподвижной) для получения усреднен­
ной информации об их взаимном положении.
Высокая разрешающая способность оптических измерительных
устройств и усредняющее действие двух совместно работающих
периодических шкал хорошо сочетаются в муаровом явлении и поз­
воляют осуществлять линейные измерения с точностью до 0.1 мкм, а
угловые — до 0.2".
Растровые муаровые датчики с цифровым и аналоговым выходами
все шире применяются в системах программного управления металло­
режущих станков, в высокоточных измерительных системах и др.
В зависимости от характера воздействия на световой поток
различают прозрачные и отражательные растры. Прозрачные растры
представляют собой систему прозрачных и непрозрачных элементов.
Отражательные растры выполняются в виде решеток с элементами,
зеркально отражающими свет.
57
Рис. 25. Растры
Геометрическая структура элементов, образующих растр, мо­
жет быть различной. На рис. 25 показаны некоторые типы растров,
применяемых в муаровых растровых датчиках положения: парал­
лельный растр (рис. 25а) с непрозрачными штрихами. В центральном
радиальном растре (рис. 256) непрозрачные элементы расходятся в
виде лучей из одного центра. Элементы нецентрального радиального
растра (рис. 25в) являются касательными к некоторой окружности
малого радиуса. Если же элементы растра выполнены в виде кон­
центрических колец, то такой растр называется, кольцевым (рис.
25г). Растры могут быть не только плоскими. Если элементы растра
нанесены на поверхность цилиндра, то получается цилиндрический
растр (рис. 253). В принципе растр можно нанести на лю бую поверх­
ность, например, на коническую, и получить конический растр.
Элементы растра обычно наносятся с постоянным линейным или
уг.ловым шагом. В этом случае растры являются регулярными. Одна­
ко существуют растры с линейно изменяющимся шагом (рис. 25е) и
даже с хаотическим расположением отдельных элементов.
Основными оптическими характеристиками измерительных
растров являются шаг и светосила. Обычно в муаровых датчиках
применяются растры, у которых ширина прозрачного штриха равна
ширине непрозрачного, т.е. растры со светосилой, равной 1/2.
Д л я измерения линейных размеров применяются плоские
параллельные растры, называемые иногда параллельными растро­
выми решетками. В муаровых растровых датчиках, работающих по
принципу счета муаровых комбинационных полос, для получения
достаточной разрешающей способности в качестве параллельных
растров используются дифракционные решетки с шагом 1— 10 мкм.
Д л я изм ерения угловы х перемещ ений применяются плоские
радиально-центральные и радиально-нецентральные растровые
решетки.
Плоские кольцевые растры позволяют измерять радиальные
биения вращ ающ ихся деталей. Созданы растровые системы,
58
осуществляющие трехкоординатное управление обработкой точных
и сложных деталей на станках с Ч П У, как, например, матриц и
штампов для лопастей турбин.
Применение растровых систем особенно эффективно при мел­
косерийном производстве вследствие исключительной легкости их
переналадки при переходе к изготовлению новых изделий. Другими
преимуществами таких систем являются: небольшой объем элект­
ронного оборудования, непосредственно расположенного на станке и
в о зм о ж н о с ть о б с л уж и в а н и я их м а ло к в али ф и ц и р о в ан н ы м и
операторам и.
Фирмой Браш (С Ш А ) разработан линейный цифровой преобра­
зователь с дифракционными решетками и оптическим внутришаговым делением, схема которого приведена на рис. 26а. Интерполяция
в пределах шага растра осуществляется с помощью вращающегося
прозрачного барабана 4. На цилиндрической поверхности барабана
нанесены штрихи дифракционной решетки. Барабан вращается с
постоянной скоростью. Л уч света от источника I проходит через
измерительную решетку 2, установленную на столе станка, и опор­
ную решетку 3, установленную на станине. Штрихи решеток накло­
нены под малым углом к штрихам на барабане. Фазовый сдвиг между
быстро перемещаюшимися муаровыми полосами, возникающими в
растровом сопряжении решеток 2 и З , служит мерой пространствен­
ного смещения измерительной решетки 2 относительно опорной
решетки 3. Пространственное фазовое положение муаровых полос
определяется с помощью фотодиодов 5.
Фирма Хайденхайн (Ф Р Г ), разработала линейный датчик с
оптической решеткой (рис. 26б). Л уч света от источника 5 проходит
через длинную измерительную решетку /, установленную на столе
Рис. 26. Растровые системы измерении линейных перемещений
59
станка, и опорную растровую решетку 2, на которой нанесены два
ряда расположенных друг над другом штрихов. Штрихи взаимно
сдвигаются на 1/4 штрихового деления. Поэтому токи, генерируемые
двумя принимающими фотодиодами 4, сдвинуты по фазе на +90° .
Знак сдвига фаз показывает направление движения стола. Мерой
перемещения служит число световых импульсов на фотодиоде. Одно
штриховое деление имеет шаг 10 мкм.
Фирмы Ферранти и Стевли ризеч (Англия) разработали две
близких по принципу действия системы управления с применением
растровых линейных цифровых преобразователей. Эти системы
используются для управления фрезерными станками. Практически
такую же схему использовала японская фирма Мицутойо в своей
координатно-измерительной машине.
Индукционные датчики положения с печатными обмотками —
индуктосины — появились сравнительно недавно — в пятидесятыешестидесятые годы. Благодаря технологичности, надежности, а глав­
ное высокой точности измерений эти датчики широко используются
за рубежом и в отечественной промышленности.
Точность современного индуктосина достигает для измерения
угловых координат единиц секунд, линейных координат — единиц и
долей микрометров.
Индуктосины выгодно отличаются от оптических датчиков
отсутствием источника освещения. При соответствующем конструк­
тивном исполнении они обладают устойчивостью к механическим,
радиационным, световым и другим воздействиям. По принципу рабо­
ты эти датчики мало отличаются от широко известных поворотных
трансформаторов, существенно превосходя их в точности.
В настоящее время наиболее распространены индуктосины тор­
цового исполнения, линейного и поворотного типов. В первом случае
неподвижная линейка (рис. 27а), длина которой определяется необ­
ход и м ы м и п р ед ела м и и зм ер ен и я , обы чн о со ста в ля етс я из
унифицированных элементов длиной 250 мм, содержащих плоскую
несекционированную обм отку волнового типа. Ш а г обмотки
выбирается в пределах 2.0— 2.5 мм, реже — 1 мм. Подвижный ползун
линейного индуктосина обычно содержит две фазы плоской обмотки
того же типа, иногда секционированный. Длина ползуна обычно
меньше длины линейки; обмотка его содержит 40— 60 полюсов.
Поворотный торцовой индуктосин (рис. 276) встроенного типа,
а также имеющий собственные подшипниковые опоры имеет статор
и ротор, на которых размещены плоские обмотки, аналогичные
линейному индуктосину. Первичные обмотки индуктосина питаются
60
с.
н
п п п г:
Ч ' 11
и и и е
Л>01еЙ11ЫА 11]и\'КТОС1П1
Повороткь
Рис. 27. Индуктосины
переменным током несущей частоты 4— 10 кГц силой не более 1 А.
На вторичных обмотках индуцируется ЭДС трансформации, назы­
ваемая полезным сигналом. Эта величина аналоговая, модуль и
фазовый сдвиг которой определяются пространственным поло­
жением ротора относительно статора.
Конструктивная особенность индуктосина заключается в том,
что его обмотки выполняются плоскими (печатными) и расположены
одним слоем на гладких немагнитных или магнитных основаниях
ротора и статора. По данным, оценивающим современное состояние
и тенденции развития систем числового программного управления, в
станкостроении индуктосин относится к числу наиболее распростра­
ненных датчиков. Индуктосин перспективен также для координатн о-отсчетн ы х устройств и управляю щ их систем различны х
сварочных, лазерных и других технологических установок.
В настоящее время появились и разрабатываются интересные
модификации индуктосина: с многоходовой обмоткой; многослойной
и м н огоф а зн ой обм отк ам и ; с набираем ой зуб ц ов ой зон о й ;
комбинированного с оптическими датчиками и др. Эти модификации
решают задачи миниатюризации датчика, дальнейшего повышения
его точности и технологичности.
61
Вопросы для самопроверки
1. В чем различия между измерением и контролем?
2. Какие Вы знаете методы измерений?
3. Каковы основные показатели метрологической харакзеристики средств изме­
рения?
4. В чем суть закона нормального распределения случайных величин?
5. Какими основными параметрами характеризуются случайные величины?
6. Какие факторы следует учитывать при выборе средств измерения?
7. Как систематизируются средства измерения но степени автоматизации'’
8. В чем различие между технологическим контролем и регулированием?
9. Какие методы автоматического контроля Вы знаете?
10. На каких принципах основано действие пневматических средств измерения?
11. Как устроены дифференциальные приборы и в чем их преимущество перед
обычными?
12. К ак и е типы электроконтактны х преобразователей Вы знаете и где их
целесообразно применять?
13. Н а чем основан принцип работы индуктивных преобразователей?
14. Что такое мехапотрон и где его целесообразно применять?
15. Н а чем основан принцип работы фотоэлектрических преобразователей?
Рацноилльная область их применения.
16. Какие принципы использованы в радиоактивных средствах измерения?
17. Каковы основные узлы и их назначение в контрольных автоматах?
18. Какие функции могут выполнять контрольные автоматы в регулировании
размеров?
19. Что такое растры? Где они применяются и какие фупкцтш выполняют?
20. Что Вы знаете об ипдуктосипах?
Список литературы
1. Активный контроль в машиностроении. Справочник. /Под ред. Е.И. Педя. — М.;
Машиностроение, 1982.— 352 с.
2. Волосов С.С.. Педь Е.И. Приборы для автоматического контроля в машиностро­
ении.— М.: Изд-во стандартов, 1975.— 311 с.
3. Иванов О.А. и др. Специальные приборы для линейно-угловых измерений и их
проверка.— М.: Изд-во стандартов, 1983,— 160 с.
4. КовстенкоА.В. Контроль деталей, обрабатываемых на металлорежущих станках.—
М.: Машиностроение, 1980.— 167 с.
5. Марков Н .Н ., Ганевский Е М . Конструкции, рас^ют и эксплуатация измерительных
прибо|Х)в.— М.: Машиностроение, 1981 .— 368 с.
6. Справочник по производственному контролю в машиностроении. /Под ред. Л.К.
К утая ,-Л .: М,зши1Юстроение, 1983.— 97бс.
62
г
Оглавление
Введение
3
5
Глава I. Основы технических измерений
1.1. Основные понятия
.
1.2. Метрологические показатели средств измерения
. .
6
9
1.3. Погрешности измерения и их оценка
.11
1.4. Выбор средств измерения
.1 6
Глава 2. Общие сведения о методах и средствах автоматического кош-роля
2.1. Технологический контроль и автоматическое регузирование
.18
.1 8
2.2. Методы технологического контроля
.19
2.3. Послеоперационный авгоматический контроль
.
.
.
.
Глава 3. Средства автоматического контроля р а зм е р о в ..........................
.23
.25
3.1 Пневматические средства измерения
...............................................25
3.2. Электрокон гакз ные средства измерения
...............................................37
3.3. Индуктивные и емкостные средства измерения.
Механозроны
.42
3.4. Фотодлектрнческие и радиоактивные измерительные средства
. 45
3.5. Контрольные авго.маты и координатно-нзмеригельиые машины
. 48
3.6. Цифровые приборы
.58
Вопросы для самопроверки
Список литературы
. . .
.62
....................................................................................................62
63
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
6
Размер файла
17 566 Кб
Теги
tekhnol, avtomaticheskogo, 1andreev, makhan, kontrol
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа