Для малых образующих резьб при измерении среднего диаметра применяют метод трех, двух или одной проволочки (рис. 4.44), закладываемых во впадины резьбы. Таким образом, контрольное средство позволяет измерить некоторый размер М, зависящий от среднего диаметра резьбы d2 и диаметра dп проволочек (рис. 4.45). Для уменьшения влияния погрешностей угла профиля выбирают проволочки наивыгоднейшего диаметра dп. н, который обеспечивает их касание со впадиной резьбы по линии среднего диаметра dп. н = 0,5P/cos/2. Тогда

.

Для метрической резьбы ( = 60°) d2 = M - 3dп. н + 0,866P.

Для измерения размера М используют длиномеры, оптиметры, микрометры (рис. 4.46) и т. п. Для повышения точности измерения учитывают погрешности диаметра проволочек, шага, угла профиля, угла подъема резьбы, деформации витков и др. При небольшом числе витков применяют метод двух проволочек, тогда

d2 = M - 3dп. н + 0,866P - P2/[8(M - dп. н)] .

Для контроля резьб с D > 100 мм применяют одну проволочку.

В цеховых условиях и при ремонте используют микрометры с резьбовыми вставками (рис. 4.47). Погрешность этого метода 0,025 - 0,2 мм.

Шаг резьбы измеряют с помощью универсальных или специальных средств. Из универсальных средств используют главным образом микроскопы.

Средний диаметр внутренних резьб измеряют с помощью штихмасов с резьбовыми вставками, индикаторных приборов с раздвижными

полупробками или сферических вставок, а также путем получения оттисков и отливок с последующим их измерением универсальными средствами.

Оиз вариантов измерения среднего диаметра индикаторным нутромером с измерительными головками. Для этого на нижнюю часть трубки нутромера надевается резьбовая пробка 2, в которой расположены сферические вставки 1, раздвигаемые конусом 3, связанным через шток нутромера с измерительной головкой.

Измерение среднего диаметра шариками или шариковыми наконечниками аналогично измерению проволочками. При этом используют горизонтальные и вертикальные оптиметры, индикаторы и т. п. Все параметры внутренней резьбы можно также измерять с помощью специального микроскопа ИЗК-59 (приспособление к УИМ).

4.7. Измерение и контроль зубчатых колес и передач [50]

Приборы для технологического контроля используют в цеховых условиях для контроля изделий и наладки зубообрабатывающего оборудования. Типы, основные параметры и нормы точности приборов для измерения цилиндрических зубчатых колес регламентированы ГОСТом 5368 - 81, ГОСТом 8137 - 81, ГОСТом 10387 - 81 и др.

Кинематическую погрешность зубчатых колес 1 и 6 в однопрофильном зацеплении Fir контролируют, например, на приборах со стеклянными лимбами 2 и 5, имеющими радиальные штрихи с ценой деления 2 (схема I на рис. 4.49). Перемещение штрихов вызывает импульсы тока в фотодиодах. Сдвиг фаз импульсов, вызванный кинематической погрешностью в зубчатой паре и несогласованностью вращения зубчатых колес, определяется фазометром 3 и записывается самописцем 4.

Относительно просты приборы для измерений колебаний межцентрового расстояния F"ir за оборот в двухпрофильном зацеплении (схема II на рис. 4.49). Эти приборы имеют оправки 4 и 5, на которые насаживают контролируемое 6 и образцовое 3 зубчатые колеса. Оправка 5 расположена на неподвижной каретке 7, положение которой может изменяться лишь при настройке на требуемое межцентровое расстояние. Оправка 4 расположена на подвижной каретке 2, которая поджимается пружиной так, что зубчатая пара 3 - 6 находится всегда в плотном соприкосновении по обеим сторонам профилей зубьев. При вращении зубчатой пары вследствие неточностей ее изготовления измерительное межосевое расстояние изменяется, что фиксируется отсчетным или регистрирующим прибором 1.

Накопленную погрешность шага и k шагов можно контролировать на приборе (схема III на рис. 4.49), в котором при непрерывном вращении зубчатого колеса 5 в электронный блок 2 поступают импульсы от кругового фотоэлекрического преобразователя 4, установленного на одной оси с измерительным колесом, и от линейного фотоэлектрического преобразователя 1, выдающего командный импульс при заданном положении зуба (при максимуме отраженного потока). При появлении командного импульса самописец 3 фиксирует ординату погрешностей шага колеса.

Радиальное биение зубчатого венца Frr колеса 1 контролируют на биениемерах (схема IV на рис. 4.49), имеющих модульные профильные

I	II	III
БВ-5033. БВ-5053, БВ-936. БВ-5030, БВ-5058, УКМ-5 и др.	МЦ- 160М, МЦ-400Б, Э, МЦ-320М, МЦМ-630, БВ-5050, БВ-5029, БВ-5077	БВ-5015, БВ-5028, ШМ-1-,2, БВ-5056, БВ-5035, БВ-5059
IV	V	VI
25003, Б- 10М, БВ-5015, БВ-5050, БВ-5060, БВ-5061	Б В-4047--25, БВ-5045, БВ-5046, 22202, БВ-5015, БВ-5081, БВ-5082 и др.	МЭК-2, КН-6М, КН-7

наконечники 2 с углом конуса 40° для контроля наружных зубчатых колес (для контроля внутренних зубчатых колес наконечники имеют сферическую форму). Разность положений наконечников, определяемая с помощью каретки 4 и индикатора 3, характеризует биение зубчатого венца.

Колебание длины общей нормали L - FvWr контролируют на приборах, имеющих два наконечника с параллельными плоскостями и в зависимости от требуемой точности отсчетное нониусное, микрометрическое 2 или индикаторное устройство. Нормалемеры микрометрические (схема V на рис. 4.49) имеют тарельчатые измерительные наконечники, вводимые во впадины зубьев колеса 1. Особенностью контроля длины общей нормали является отсутствие необходимости базирования колеса по его оси.

Погрешность обката Fcr обычно выявляют на кинематомерах, позволяющих установить несогласованность движения режущего инструмента (фрезы) и заготовки зубчатого колеса (стола станка) при зубообразовании. Так, на зубофрезерных станках (схема VI на рис. 4.49) преобразователь 1 выдает импульсы, характеризующие угловое положение стола станка, а преобразователь 2 -- импульсы, характеризующие положение шпинделя. Блок 3 служит для приведения масштаба импульсов высокоскоростного звена 2 к масштабу тихоходного звена 1 станка. После сравнения импульсов в устройстве 4 разность фаз, пропорциональная погрешности углового положения шпинделя относительно стола станка, регистрируется самописцем 5.

Плавность работы зубчатых колес можно выявлять при контроле местной кинематической погрешности, циклической погрешности колеса и передачи на приборах для измерения кинематической точности, в частности путем определения ее гармонических составляющих на автоматических анализаторах. С помощью поэлементных методов контролируют шаг зацепления, погрешность профиля и отклонения шага. Шаг зацепления fpbr контролируют с помощью накладных шагомеров (схема I на рис. 4.50), снабженных тангенциальными наконечниками 2 и 3 и дополнительным (поддерживающим) наконечником 1. Измерительный наконечник 3 подвешен на плоских пружинах. При контроле зубчатого венца перемещение измерительного наконечника фиксируется встроенным отсчетным устройством 4. При настройке положение наконечников 1 и 2 можно менять с помощью винтов 5.

Погрешность профиля ffr выявляют на эвольвентомерах, сопоставляя теоретическую эвольвенту, воспроизводимую прибором, с реальной эвольвентой контролируемого зуба. В приборе типа БВ-5062 (схема II на рис. 4.50) теоретическая эвольвента воспроизводится образцовым сектором 1, расположенным на одной оси с контролируемым колесом. В качестве линейки обката служит каретка 3, которая связана с сектором с помощью охватывающей его ленты 2. Радиус основной окружности меняют при настройке путем изменения положения упора 4, находящегося на измерительной каретке 5. Микроскоп 6 служит для настройки прибора на требуемый радиус основной окружности.

Для измерения отклонений шага fptr от среднего значения по колесу используют накладные приборы (схема III на рис. 4.50), с помощью которых шаг Рt определяют как расстояние между базовым 2 и измерительным 3 наконечниками. На измеряемом колесе 4 прибор устанавливают по упорным наконечникам 1 и 5. При измерении сравнивают значения всех шагов с первоначальным шагом, отсчитываемым по шкале головки 6.

I	II
21802, 21702, 21703, БВ-5070 и др.	КЭУМ, БВ-5057, БВ-5062, БВ-5078 и др.
III
ШМ-1, БВ-5079

Полнота контакта. Размеры пятна контакта определяют либо по следам приработки после некоторого периода работы передачи на контрольно-обкатных станках и приспособлениях, либо по следам краски, оставившей отпечаток на парном колесе. С помощью поэлементных методов измеряют осевой шаг по нормали, отклонение направления зуба, погрешность формы и расположения контактной линии и др. Так, на приборе БВ-5028 (схема I на рис. 4.51) можно контролировать несколько параметров зубчатых колес -- отклонения контактной линии Fkr, осевого шага Fpxnr и погрешности шага. Каретка с измерительным наконечником 1, предварительно установленным на угол наклона контактной линии, перемещается по направляющей 3. При согласованном движении каретки и вращении контролируемого зубчатого колеса 2 наконечник 1 воспринимает непрямолинейность и отклонения от направления этой линии, которые фиксируются самописцем. Отклонение осевого шага воспринимается измерительным наконечником тогда, когда последний перпендикулярен винтовой линии.

Поворот зубчатого колеса на осевой шаг осуществляют с помощью микроскопа с оптическим диском. При измерении отклонений от направления зуба Fr прямозубых колес на приборах, у которых существует каретка с точными продольными направляющими, измерительный наконечник перемещают вдоль оси измеряемого колеса. При контроле косозубых колес винтовую линию, воспроизводимую в приборе в результате поворота колеса и продольного перемещения измерительного узла или, как в ходомере БВ-5034 (схема II на рис. 4.51), продольного перемещения стола 1 вместе с проверяемым колесом 4, сравнивают с реальной эвольвентой. Согласованность поступательного и вращательного движений колеса обеспечивают с помощью наклонной линейки и охватывающих шпиндель 3 лент, концы которых закреплены на поперечной каретке 2. Измерительный узел

I	II
БВ-5028 и др.	БВ-5034, БВ-5075 и др.

Рис. 4.51. Приборы для контроля полноты контакта

5, установленный на станине, можно настраивать на необходимые параметры зубчатого колеса. Микроскоп 6 позволяет осуществлять точную установку линейки 7 на заданный угол.Боковой зазор между неработающими профилями зубьев в собранной передаче можно контролировать с помощью набора щупов, c помощью заложенной между зубьями свинцовой проволочки или методом люфтования. В последнем случае одно из зубчатых колес медленно вращается, а второе при этом совершает высокочастотные колебания, амплитуда которых характеризует боковой зазор. В реальном зубчатом колесе боковой зазор образуется в результате утонения зуба при смещении исходного режущего контура ЕHr на зуб колеса. Это смещение измеряют на тангенциальных зубомерах (схема I на рис. 4.52), имеющих два базовых щупа 1 и 2, измерительный наконечник 3 и показывающий прибор 4. Перед измерением зубомер настраивают на заданный модуль по ролику расчетного диаметра.

С помощью тангенциальных зубомеров контролируют, по существу, положение постоянной хорды а - а относительно линии выступов b - b, а с помощью кромочных зубомеров измеряют толщину зуба S (параметр Ecr) на заданном расстоянии h от линии выступов (схема II на рис. 4.52). Эти зубомеры имеют нониусные, микрометрические или индикаторные отсчетные устройства. В нониусных штангензубомерах требуемое положение постоянной хорды, т. е. координирующей губки 4, устанавливают с помощью нониусной пары 1 - 2, а измерения хорды осуществляют с помощью нониусной пары 7 - 6 путем введения измерительных наконечников 3 и 5 во впадины зубчатого венца.



НЦ 23500 - 23800	БВ-5016к, БВ-5017к, ШЗ-18, ШЗ-36, ЗИМ-16 и др.

Рис. 4.52. Приборы для контроля бокового зазора

Существуют различные приборы для контроля цилиндрических, конических, червячных, червяков и прочих колес станкового и накладного типов, разделяемых по классам точности на три группы: А, АВ и В. Интенсивно разрабатываются полуавтоматические и автоматические приборы, в том числе приборы активного контроля, использующие экранную оптику, цифровой отсчет, запись результатов измерения, машинную обработку результатов, управление производственным процессом и т. п.

4.8. Измерения с помощью цифровых измерительных приборов

В настоящее время расширяется разработка и применение в промышленности электронных цифровых вычислительных машин, в которых требуемые действия выполняются электронными счетчиками и управляющими схемами.

По своим эксплуатационным свойствам цифровые электроизмерительные приборы характеризуются высокой точностью измерения, быстродействием, автоматизацией измерения и удобством регистрации результатов измерения.

Цифровое отсчетное устройство может быть придано к средству измерения, содержащему электронную часть прибора, или как комплекс измерительных средств может быть непосредственно придано (встроено) в металлообрабатывающее оборудование.

Например [35], к микроскопу инструментальному БМИ-1Ц придано устройство цифровое пересчетное УЦП-1м. Электронная часть прибора будет содержать преобразователь электронно-оптический в координатах Х и У и устройство цифровое пересчетное.

Преобразователь электронно-оптический предназначен для преобразования реверсивных линейных перемещений в пропорциональное им число электрических импульсов. Преобразователь включает в себя механическую и электронно-оптическую системы. Основой механической системы является узел микровинта с приводом для вращения. Микровинт преобразует круговое вращение в продольное перемещение.

Цифровое отсчетное устройство (ЦОУ) для оснащения универсальных металлорежущих станков (рис. 4.53) контролирует перемещение рабочих органов станка (суппорта, каретки, стола и т. п.) и в наглядной форме на цифровом табло показывает их положение относительно выбранного начала координат. В соответствии с показаниями на цифровом табло станочник обрабатывает деталь до получения нужных размеров, управляя станком, как и обычно, вручную.

Цифровое устройство установлено на отсчетные барабаны микрометрических винтов поперечного и продольного перемещения стола. Оно состоит (рис. 4.53) из круглого реостатного преобразователя 1, механизма 2 сброса показаний на нуль, счетчика 3 перемещений целых миллиметров и цифрового прибора 4, по которому отсчитывают доли миллиметра с дискретностью 0,001 мм. Для преобразования линейных перемещений в цифровой отсчет

служит проволочный реостат сопротивлением 10 кОм, выбранный из расчета, что каждые 10 Ом соответствуют 0,001 мм линейного перемещения при шаге микрометрического винта 1 мм. В качестве цифрового отсчетного устройства взят цифровой килоомметр, серийно выпускаемый отечественной промышленностью.

Устройство цифровое пересчетное (рис. 4.54) включает в себя устройство управления, реверсивный счетчик, счетчик, переключатели и источники питания. Предустановка любого пятиразрядного десятичного числа со знаками (+) или (-) осуществляется с помощью переключателя "Предустановка". При нажатии кнопки "Запись" импульсы с устройства управления поступают одновременно на входы счетчика и реверсивного счетчика и через дешифратор на табло индицируются числа. При помощи вращения привода механической системы передаются числа с оптико-механического преобразователя. Цифровое отсчетное устройство (ЦОУ) для оснащения уни-версальных металлорежущих станков (рис. 4.55) контролирует перемещение рабочих органов станка (суппорта, каретки, стола и т. п.) и в наглядной форме на цифровом табло показывает их положение относительно выбранного начала координат. В соответствии с показаниями на цифровом табло станочник обрабатывает деталь до получения нужных размеров, управляя станком, как и обычно, вручную.

Цифровое отсчетное устройство на базе выпускаемых датчиков и электронных блоков имеет основные характеристики: цена отсчета от 0,001 до 0,02 мм; наибольшая скорость контролируемого перемещения при цене отсчета 0,01 - 15 м/мин при цене отсчета 0,001 мм - 1,5 м/мин; наибольшая величина контролируемого перемещения не больше 1 м при цене отсчета 0,001 мм и не более 10 м при цене отсчета 0,01 мм.

4.9. Измерение электрических и магнитных величин

По системе SI единицы электрических и магнитных величин, применяемые в Российской Федерации, приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Единицы электрических и магнитных величин

Величина	Наименование	Обозначение	Величина	Наименование	Обозначение
		Рус-ское	Меж-дуна-род-ное			Рус-ское	Меж-дуна-род-ное
Сила электри-ческого тока, магнитодвижущая сила	Ампер	А	А	Электричекая постоянная, абсолютная диэлектрическая проницаемость, диэлектрическая восприимчивость	Фарад на метр	Ф/м	F/m
Линейная плот-ность электри-ческого тока, напряженность магнитного поля	Ампер на метр	А/м	A/m	Магнитная индукция, плотность магнитного поля	Тесла	Тл	Т
Поверхностная плотность электрического тока	Ампер на ква-дратный метр	А/м2	А/m2	Индуктивность, взаимная индуктивность, магнитная проводимость	Генри	Гн	Н
Магнитный момент	Ампер- квадратный метр	Ам2	Аm2	Магнитное сопротивление	Генри в ми-нус первой степе-ни	Гн-1	Н-1
Количество электричества, электрический заряд, поток электрического смещения	Кулон	Кл	С	Магнитная постоянная, абсолютная магнитная проницаемость	Генри на метр	Гн/м	Н/ m
Линейная плот-ность электри-ческого заряда	Кулон на метр	Кл/м	С/m	Магнитный поток	Вебер	Вб	Wb
Электрическое смещение, поверхностная плотность электрического заряда	Кулон на квадратный метр	Кл/м2	С/m2	Электрическая проводимость	Си-менс	См	S
Объемная плотность электрического заряда	Кулон на куб. метр	Кл/м3	С/m3	Удельная электрическая проводимость	Си- менс на метр	См/м	S/m
Момент электрического диполя	Кулон-метр	Клм	Сm	Электрическое сопротивление	Ом	Ом
Напряжение, потенциал, раз-ность потенци-алов, электро-движущая сила	Вольт	В	V	Удельное электрическое сопротивление	Ом-метр	Омм	m
Напряженность электрического поля	Вольт на метр	В/м	V/m	Мощность: активная, реактивная, полная	Ватт	Вт	W
Электрическая емкость	Фарад	Ф	F

Электроизмерительные приборы подразделяются (рис.4.56) на: электромеханические (магнитоэлектрической системы, электродинамические, электромагнитные с подвижным магнитом, индукционной системы, электромагнитные); электротермические (с нагреваемой нитью, биметаллические, термоэлектрические преобразователи).

4.9.1. Электромеханические измерительные приборы

Приборы магнитоэлектрической системы (рис. 4.56) могут работать на постоянном токе, а при использовании дополнительных преобразований -- и на переменном.

Наименование	Приборы магнитно-электрической системы	Электродинамические приборы	Электродинамические приборы (с замкнутой магнитной цепью)
Принципиальная схема
Символическое изображение
Принципиальная схема
Символическое изображение

Рис. 4.56. Электроизмерительные приборы: ЕМ - измерительные приборы;

QM - приборы для измерения отношений [46]

В однородном магнитном поле постоянного магнита располагается на опорах рамка, которая может вращаться. Ток, проходящий через витки этой рамки, имеет направление, перпендикулярное направлению магнитных линий поля.

Электрический ток подается через два пружинных элемента (ленточные растяжки, спиральные пружины), которые одновременно создают механический противодействующий момент.

Электродинамические измерительные приборы основаны на принципе взаимодействия токов. Они могут применяться для измерений как на переменном, так и на постоянном токе.

Электродинамический измерительный прибор с замкнутой магнитной цепью (см. рис. 4.56) работает как прибор магнитоэлектрической системы, но с той разницей, что вместо постоянного магнита используется электромагнит.

В электродинамическом измерительном приборе без ферромагнитного сердечника (см. рис. 4.56) полностью отсутствуют ферромагнитные элементы. При возбуждении магнитного поля принцип действия прибора такой же, как у прибора с замкнутой магнитной цепью.

Электромагнитные измерительные приборы с подвижным магнитом также основаны на магнитоэлектрическом принципе. Они могут быть использованы для измерений на постоянном токе, а с дополнительными преобразователями -- и на переменном токе. В поле неподвижной катушки находится вращающийся постоянный магнит (магнитная игла, диск или полый цилиндр), который устанавливается в направлении постоянного внешнего поля (например, магнитного поля Земли). При прохождении тока вращающийся магнит перемещается в направлении результирующего поля, образуемого направляющим полем и полем катушки.

Прибор с подвижным магнитом представляет собой обращенный измерительный прибор магнитоэлектрической системы, т.е. катушка и постоянный магнит меняются местами.

Электроизмерительные приборы индукционной системы могут применяться только для измерений на переменном токе. Во вращающемся магнитном поле располагается подвижный замкнутый проводник (барабан или диск). В результате наведения вихревых токов подвижный проводник перемещается в направлении вращающегося магнитного поля.

Электромагнитные измерительные приборы (см. рис. 4.56) могут быть использованы для измерений на постоянном и переменном токе. Важнейшими типами этих приборов являются приборы с плоской и круглой катушками. В приборах с плоской катушкой внутри катушки возбуждения находится эксцентрично закрепленная подвижная ферромагнитная пластина, ось поворота которой расположена перпендикулярно оси катушки возбуждения. При протекании электрического тока пластинка под воздействием электромагнитного поля перемещается в катушке, т. е. поворачивается вокруг своей оси. В приборе с круглой катушкой внутри катушки возбуждения находятся неподвижная и подвижная ферромагнитные пластинки, причем ось поворота последней параллельна оси катушки. При протекании электрического тока пластинки намагничиваются в одинаковом направлении и, следовательно, отталкиваются друг от друга. При этом подвижная пластинка поворачивается в направлении меньшей ширины неподвижной пластинки.

Электростатические измерительные приборы могут быть использованы для измерений как на постоянном, так и на переменном токе. Измерительный прибор состоит из конденсатора, электроды которого закреплены так, что имеется возможность, прикладывая электрическое напряжение, получать механическое усилие, действующее в направлении увеличения емкости. Изменение емкости может осуществляться путем изменения либо эффективной площади электродов, либо расстояния между электродами.

4.9.2. Электротермические измерительные приборы

Измерительные приборы с нагреваемой нитью (см. рис. 4.56) позволяют проводить измерения на постоянном или переменном токе. В зависимости от силы тока, протекающего через проволоку, изменяются температура и длина проводника.

Биметаллические приборы также основаны на термоэлектрическом принципе измерения. Они используются для измерений на постоянном и переменном токе. Биметаллическая полоска нагревается непосредственно измеряемым током или с помощью изолированной обмотки. Спиралеобразная, укрепленная с одной стороны биметаллическая полоска нагревается и искривляется в зависимости от силы измеряемого тока вследствие различных коэффициентов линейного расширения обоих металлов.

Термоэлектрические преобразователи могут быть использованы для измерений на постоянном и переменном токе. Они наиболее предпочтительны для измерений высокочастотных токов. Термоэлектрические преобразователи состоят из проволоки, которая нагревается протекающим через нее измеряемым током. В середине проволоки помещается измерительный участок термоэлемента. Возникающая термоЭДС пропорциональна температуре нагрева.

4.10. Информационно-измерительные системы и измерительно-вычислительные комплексы

Большинство измерительных и управляющих систем, а также измерительно-вычислительных комплексов, используемых в управлении технологическими процессами и в научных исследованиях, оперируют информацией, представленной в виде кодов (чисел). Это обстоятельство предопределило быстрое развитие измерительных преобразователей различных физических величин и прежде всего электрических в коды, что обеспечивает возможность непосредственной связи вычислительной или управляющей цифровой машины с объектами измерения или управления. Эти устройства получили название аналого-цифровых измерительных преобразователей (АЦП).

Почти одновременно с АЦП появились цифровые измерительные приборы (ЦИП), отличающиеся от АЦП тем, что они имеют отсчетное устройство и вырабатывают измерительную информацию в удобной для восприятия человеком форме десятичных чисел. Грань между ЦИП и АЦП в большой мере условная, так как для расширения функциональных возможностей в ЦИП обычно предусматривают вывод электрических сигналов (кода), соответствующих показанию отсчетного устройства, а в АЦП предусматривают простейшее отсчетное устройство для обеспечения возможности визуального считывания его выходного кода.

Цифровые измерительные устройства являются одним из наиболее совершенных средств измерений. Наибольшее распространение получили ЦИУ для измерения электрических величин (напряжения, силы тока и сопротивления), а также ЦИУ для измерения временных параметров сигналов (частоты, периода, длительности импульсов и интервалов времени). В последнее время широкое распространение получают ЦИУ для измерения неэлектрических величин (например, температуры), основанные на использовании ЦИУ для измерения электрических величин в сочетании с первичным измерительным преобразователем. ЦИУ являются единственным видом измерительных устройств, обеспечивающих непосредственную связь и передачу измерительной информации от объекта измерений в вычислительную или управляющую вычислительную машину при автоматизации производственных процессов и научных исследований.

Массовость выпускаемой продукции при все возрастающих требованиях к ее качеству в условиях экономической оптимизации привела к необходимости создания автоматических систем управления технологическим процессом (АСУТП). При этом необходимо отметить, что в условиях АСУТП контроль органически связан с процессом производства и является его неотъемлемой частью.

Координатно-измерительные машины [35]. Современная техника обработки отличается высокими скоростями и производительностью. Чтобы привести в соответствие темпы производства и контроля, разработаны измерительные машины. Координатно-измерительные машины предназначены в первую очередь для контроля, а не для решения определенных задач измерения.

В последнее время расширены задачи контроля. Если раньше при контроле выявляли только брак изделий по размерам, то в настоящее время появляется возможность определить и исключить источник ошибок. В освоении нового изделия при серийном производстве необходим своевременный, быстрый и безупречный контроль первого изделия, что осуществляется на координатно-измерительных машинах.

Отличительным признаком координатно-измерительных машин является возможность дать измерения координатных значений в цифровой форме. Координатно-измерительные машины изготавливают трех- и двухкоординатными. На трехкоординатных (см. рис. 4.57) можно проводить измерения в трех координатах: X, Y, Z; двухкоординатные машины служат для измерения в двух взаимно перпендикулярных направлениях одной плоскости - координаты Х и Y.

Измерительная часть машины представляет собой преобразователь перемещения измерительной головки, несущей измерительный наконечник, в цифровой код. Число, зафиксированное счетчиком на цифровом табло, соответствует расстоянию, на которое перемещается шкала между двумя последовательными измерениями.

Преимущество координатно-измерительной машины перед обычными средствами измерений заключается в том, что она позволяет производить измерения деталей сложной геометрической формы. Машины снабжают специально разработанными ЭВМ, с помощью которых сравнивают действительные размеры и взаимное расположение поверхностей с теоретическим.

Полученные отклонения регистрируются в графической или закодированной форме и могут быть использованы для внесения автоматической коррекции через ЭВМ в числовое программное управление на обрабатываемом станке.

Создание новых трехкоординатных измерительных приборов идет по линии усовершенствования универсальных микроскопов.

Растущее производство микропроцессоров и микроЭВМ создало предпосылки для широкого использования их в системах программного управления движением автоматизированных устройств - металлообрабатывающих станков, роботов-манипуляторов, чертежно-графических автоматов, оперативных устройств визуального отображения информации.

4.11. Автоматизация системы контроля и управления сбором данных

4.11.1. Задачи и разновидности автоматизированных систем контроля

Вопросы автоматизации систем контроля относятся к автометрии, в которой рассматриваются теоретические основы проектирования автоматических измерительных и контрольных и измерительно-информационных систем.

Автоматизированная система метрологического обеспечения (АСМО) предназначена для решения основных задач управления производственно-хозяйственной деятельностью метрологической службы предприятия, связанных с планированием, контролем, анализом и регулированием метрологической информации.

АСМО базируется на экономико-математических методах с применением вычислительной техники и может рассматриваться как подсистема управления качеством продукции, включающая техническое, программное, информационное и организационное обеспечение.

Автоматизированная система метрологического обеспечения осуществляет: метрологический контроль за измерительной техникой (полный учет средств измерений предприятия; перспективное и оперативное планирование поверочной деятельности; анализ метрологических характеристик средств измерений; аттестацию нестандартизованных средств измерений; контроль, в том числе инспекционный, за выполнением поверочных работ); метрологический контроль за испытательной техникой (учет и аттестация средств испытаний; планирование и контроль выполнения этих планов; проведение профилактических и регламентных работ и др.); метрологическую экспертизу технической документации (учет технической документации; планирование и контроль выполнения планов проведения экспертиз; информационное обеспечение при проведении экспертиз технической и технологической документации); координацию и планирование метрологической деятельности (календарное и перспективное планирование поверенной деятельности; контроль выполнения требований нормативно-технической документации при изготовлении изделий; разработка мероприятий по метрологическому обеспечению производства; хозяйственно-техническая деятельность по метрологическому обеспечению и др.); регулирование деятельности по метрологическому обеспечению производства (осуществление выработки управляющих воздействий на отдельные подразделения предприятия с целью эффективного внедрения планов метрологического обеспечения).

На производстве все больше уделяется внимания механизации и автоматизации процесса измерения, что связано с автоматизацией процессов производства современных машин, повышением их качества, точности и надежности и сокращением времени и стоимости измерений и контроля. Контроль изделий осуществляется как простейшими устройствами и приспособлениями, так и сложными контрольными автоматами.

По степени автоматизации устройства контроля размеров делят на механизированные приспособления, полуавтоматические системы, автоматические системы и самонастраивающиеся (адаптивные) автоматические системы.

Механизированные приспособления применяют для одновременной или последовательной проверки нескольких размеров сложных деталей в серийном и массовом производстве. В таких приспособлениях операцию загрузки и съема деталей осуществляют вручную.

В полуавтоматических системах часть операций (загрузка, а иногда и сортировка) выполняются вручную, а все остальные операции автоматически.

Контрольные автоматические системы (все процессы полностью автоматизированы) широко применяют для контроля деталей по разным параметрам (размерам, твердости, массе, сложным профилям в виде резьбы или зубьев колес и т. п.). Контрольные автоматы дороги и сложны; их в основном применяют для сортировки деталей массового производства (поршневых пальцев, шариков и роликов и др.) по размерам на группы при селективной сборке, при 100 %-ном контроле наиболее ответственных деталей, когда пропуск бракованных деталей недопустим или когда в технологическом процессе выборочный контроль недопустим.

Прогрессивным направлением является создание универсальных автоматов из типовых узлов для контроля однотипных деталей. Например, автомат БВ-8008 для контроля поршневых пальцев диаметром от 15 до 60 мм; автомат БВ-8009 для контроля поршней разных двигателей диаметром от 15 до 60 мм; автомат БВ-8010 для контроля прямозубых и косозубых колес с диаметрами от 80 до 320 мм и модулями 1 - 7 мм. Автомат СК-9 для контроля бокового и радиального биения собранного радиального шарикового подшипника с размерами подшипников: по внутреннему диаметру от 35 до 85 мм, наружному от 80 до 150 мм и по высоте от 18 до 31 мм. Производительность контрольного автомата для поршневых пальцев - до 700 шт/ч, а автомата для подшипников - 600 шт/ч.

По воздействию на технологический процесс различают пассивные и активные автоматические средства контроля размеров.

Пассивные фиксируют размеры деталей, разделяя их на годные и брак (исправимый и неисправимый), или сортируют их на группы при селективной сборке. На ход технологического процесса они не влияют.

Активные средства контролируют размеры деталей в процессе изготовления и по результатам контроля подают команду на изменение режимов обработки, на включение станка или на подналадку системы СПИД (станок -- приспособление -- инструмент -- деталь). Наличие обратной связи позволяет по результатам контроля управлять точностью технологического процесса и тем самым предупреждать появление брака. Заводы заинтересованы в устройствах для автоматического контроля деталей в процессе их обработки, чтобы предупредить брак и облегчить работу рабочих и контролеров. Отечественными заводами выпускаются измерительные устройства для активного контроля.

В самонастраивающихся автоматических системах автоматизированы циклы работы и настройки, а также системы, которые могут приспосабливаться к изменяющимся условиям среды.

4.11.2. Измерительные преобразователи

Действие автоматизированных приспособлений, контрольных автоматов и средств активного контроля основано на использовании различного рода измерительных преобразователей. Измерительный преобразователь как составной элемент входит в датчик, который является самостоятельным устройством, и кроме преобразователя содержит измерительный шток, рычаг с наконечником, передающий механизм, элементы настройки и др. Остальные элементы электрической цепи измерительной (контрольной) системы конструктивно оформляют в виде отдельного устройства (электронного блока, или электронного реле). Наибольшее распространение получили измерительные (контрольные) средства с электроконтактными, пневмоэлектроконтактными, индуктивными, емкостными, фотоэлектрическими, радиоизотопными, механотронными, реостатными, фазовыми, струнными, вибрационно-частотными и электронными преобразователями.

Основные требования к измерительным преобразователям:

1. Объективность и достоверность измерительной информации о состоянии контролируемого объекта.

2. Измерительная информация о состоянии контролируемой физической величины должна выдаваться без каких-либо промежуточных преобразований непосредственно в ЭВМ, статанализатор, цифропечатающие машины и другие подобные устройства.

3. Измерительная система должна обеспечивать возможность быстрой перестройки при смене технологических процессов и быть унифицированной при измерении различных физических параметров при незначительных изменениях отдельных блоков этой системы.

4. Измерительная система должна иметь метрологические характеристики, обеспечивающие требуемую точность и надежность контроля и высокую производительность.

5. Измерительная система должна обладать возможностью дистанционного измерения, быть простой и надежной при настройке и проверке в условиях эксплуатации.

Приборы с электроконтактными преобразователями [50]. В электроконтактных преобразователях определенное изменение контролируемой величины приводит к замыканию (размыканию) электрических контактов цепей, управляющих исполнительными элементами системы.

Различают преобразователи предельные - для контроля предельных размеров деталей и амплитудные - для контроля амплитуды изменяющегося линейного параметра (отклонения формы, погрешности положения и т. п.). В предельном электроконтактном преобразователе (рис.4.58, а и б) изменение контролируемой величины передается через измерительный шток 1 к подвижным контактам 2 и 6, расположенным на рычаге 4. Регулируемые контакты 3 и 5, один из которых работает на размыкание, другой - на замыкание, настраивают с помощью микрометрических пар со шкальными устройствами. В амплитудном преобразователе (рис. 4.58, в) измерительный стержень 1 жестко скреплен с фрикционной пластиной 2, которая поджимается пластинчатой пружиной к подшипнику 3. Подшипник несет на себе рычаг 4 с контактами 5 и 9. Механический контакт 8 является нерегулируемым и служит упором, который при ходе стержня вниз и проскальзывании фрикционной пары 2 - 3 обеспечивает установку нуля отсчета

контролируемой амплитуды. При ходе стержня 1 вверх и недопустимо большой амплитуде электрические контакты 5 и 6 замыкаются. Рычаг 10 с винтом 7 служит для арретирования измерительного стержня. При необходимости отсчета размера может быть установлена индикаторная головка 11.

Недостатками приборов с электроконтактными преобразователями являются низкая надежность контактных пар, невысокая чувствительность, малое число команд, малые пределы измерений, релейный (пороговый) выходной сигнал.

Приборы с пневмоэлектроконтактными преобразователями [50]. В пневматических приборах используют зависимость либо между площадью S продольного канала воздухопровода и расходом сжатого воздуха при постоянном давлении р (ротаметры), или между давлением р и расходом Q воздуха (манометры). При бесконтактном методе измерения в качестве заслонки измерительного сопла 1 используют контролируемое изделие D (рис. 4.59, а). Изменение высоты изделия приводит к изменению зазора и, следовательно, контролируемого расхода воздуха, протекающего через измерительное сопло диаметром d2. При контактных методах (рис. 4.59, б--д) с измерительным наконечником 3 механически связана заслонка 2, которая также может иметь конусную, параболическую или сферическую форму.

Для увеличения диапазона измерения применяют эжекторные сопла (рис. 4.59, е), в которых воздух под постоянным давлением р поступает в измерительное сопло диаметром d2 через входное сопло диаметром d1. При этом в полости A возникает разряжение.

Для автоматизации процесса измерения выпускают отсчетно-командные устройства (рис. 4.60) с сильфонными преобразователями, в которых сжатый воздух под давлением 0,32 - 0,6 МПа после фильтра-стабилизатора 1 через входные сопла 19, 20 и 18 поступает в сильфоны 3 и

17. Сильфон 17 соединен с соплом 21 измерительного узла, а сильфон 3 - с настроечным соплом 2 противодавления. Сильфоны связаны между собой планкой 15, подвешенной на плоских пружинах 4 и 16. Планка 15 через рычажно-зубчатую передачу связана с отсчетным устройством 9 и электрическими контактами 5 и 6, 14 и 13. Контакты, подвешенные на пружинах 12, настраивают с помощью кулачков 11. По их положению и положению указателей 7 и 10 определяют интервал настройки. При измерении размера детали давление в сильфоне 17 изменяется, планка 15 смещается в сторону, замыкая контакты 5 и 6. Контакты 8 служат для исключения срабатывания при снятии сопла 21.

Пневматические приборы надежны, имеют измерительные сопла малых размеров, которые могут быть расположены в труднодоступных местах и легко позволяют получать сумму и разность сигналов.. Недостатки пневматических приборов - инерционность, небольшой диапазон показаний, необходимость сложной очистки и подготовки воздуха.

Струнные преобразователи [16]. В связи с развитием цифровой вычислительной техники, созданием электронных цифровых управляющих машин наиболее удобной формой представления информации от преобразователя является кодо-импульсная, а также частотно-импульсная модуляция. К таким преобразователям относится струнный.

В струнных преобразователях измеряемая величина преобразуется в изменение частоты собственных поперечных колебаний тонкой натянутой струны ,

где F0 - сила натяжения струны; - плотность материала струны; S - площадь поперечного сечения струны; mс - масса струны; l - длина струны.

Струна, помещенная в поле постоянных магнитов, и электронный усилитель с положительной обратной связью образуют автогенератор, в котором поддерживаются незатухающие колебания струны на частоте, почти равной частоте ее собственных колебаний. Воздействуя на натяжение, деформацию или массу mc струны, можно построить унифицированную систему преобразователей, позволяющих измерять различные физические величины: линейное и угловое перемещение, температуру, давление, силу, электрический ток и напряжение и др.

Разработано несколько унифицированных конструкций преобразователей, на базе которых создана унифицированная информационно-измерительная

система метрологического обеспечения (УИИС МО) технологических процессов (рис. 4.61), с помощью которой можно измерять различные физические величины. На схеме - информационно-измери-тельные преобразователи (ИИП): L - линейных перемещений в частоту; t - температуры; р - давления; ЭП - электронный преобразователь.

На практике применяют струнные преобразователи двух типов: однострунные усилия (рис. 4.62, а), перемещения (рис. 4.62,6), температуры (рис. 4.62, в) и дифференциальные (рис. 4.63), предназначенные для измерения линейных перемещений, силы или веса, давления, температуры окружающей среды и поверхностей объектов малой площади. Кроме того, эти преобразователи могут применяться для измерения: толщины напыленного слоя, угловых размеров и перемещений, постоянного и переменного тока, напряжения.

Основные недостатки однострунных преобразователей - нелинейность характеристики и смещение начального уровня - могут быть существенно уменьшены, если использовать дифференциальную схему. При этом измеряемый параметр воздействует на две идентичные струны, увеличивая частоту одной из них и уменьшая частоту другой.

Применительно к измерению перемещений, деформаций и размеров следует отметить ряд несомненных преимуществ цифровой информационно-измерительной системы со струнными преобразователями по сравнению с существующими устройствами аналогичного назначения:

возможность преобразования сигнала в цифровую и аналоговую форму;

информация об измеряемой величине выдается в форме кода, что позволяет стыковать рассматриваемые устройства с ЭВМ и статанализаторами и на этой базе осуществлять автоматизацию управления технологическими процессами;

высокое быстродействие системы и возможность поверки метрологических характеристик устройства с использованием образцового электрон цифровая индикация результатов измерения в натуральных единицах повышает производительность контрольных операций, объективность контроля и дает возможность с помощью цифропечатающих устройств документально регистрировать результаты измерения;

но-счетного частотомера, являющегося в настоящее время широко распространенным и доступным прибором;

полученная в форме кода информация об измеряемой физической величине без искажений может передаваться на значительные расстояния.

Приборы с индуктивными преобразователями [50]. В этих приборах изменение контролируемой величины преобразуется в изменение индуктивности электрической цепи в соответствии с формулой

,

где L и - индуктивность и число витков катушки; li, Si, и i - зазор, площадь и магнитная проницаемость участка i магнитной цепи (в том числе ферромагнитных и воздушных участков).

Конструкции индуктивных преобразователей основаны на зависимости индуктивности от зазора l между подвижной частью (якорем, связанным с измерительным наконечником) и сердечником (рис. 4.64, а, в) либо от площади S их перекрытия (рис. 4.64, б, г). Индуктивные преобразователи могут быть построены по простой (рис. 4.64, а, б) или дифференциальной (рис.4.64, в, г) схеме. Преобразователи с изменяющимся зазором используют для контроля малых перемещений (0,1 - 5000 мкм); преобразователи с изменяющейся площадью, имеющие большую линейность характеристики, используют для контроля перемещений 0,5 - 15 мм.

Преимуществами индуктивны датчиков являются - малые габариты, аналоговая форма выдаваемого сигнала, высокое передаточное отношение и широкие возможности по передаче, запоминанию и проведению различного рода математических преобразований и вычислений на ЭВМ. Однако эти приборы сложнее и дороже электроконтактных и пневматических.

Приборы с емкостными преобразователями [50]. В этих приборах изменение контролируемой величины преобразуется в изменение электрической емкости С электрической цепи обычно в соответствии с формулой ,

где - диэлектрическая проницаемость, Ф/м; S - площадь перекрытия обкладок конденсатора, см2; l --расстояние между обкладкaми, мм.

Следовательно, возможно создание трех видов емкостных преобразователей: с изменяющимся параметром , S или l.

На рис. 4.65 показаны схемы простых и дифференциальных преобразователей. Емкостные преобразователи обладают высокой линейностью выходной характеристики, высокой чувствительностью, малыми измерительными усилиями.

Их специальные конструкции позволяют обеспечить большой диапазон показаний. Однако емкостные преобразователи очень чувствительны к изменяющимся внешним условиям (колебаниям температуры, влажности и т. д.), что ограничивает область их применения.

Приборы с фотоэлектрическими преобразователями [50]. В этих приборах изменение контролируемой величины вызывает изменение cветотехнической характеристики, которое регистрируется фотоэлементами. Световой поток Ф, попадающий на фотоэлемент, определяют по формуле ,

где I - сила света источника; S - площадь входного зрачка системы; r - расстояние от объектива системы до источника света; - угол падения пучка света на светочувствительную поверхность.

В соответствии с приведенной формулой выпускают датчики четырех типов, основанные на изменении: площади S (рис. 4.66, а) входного зрачка (световой поток перекрывается либо заслонкой, связанной с деталью D, либо кромкой самой детали); расстояния r от источника света до оточувствительной поверхности (световой поток изменяется путем перемещения источника света или фотоприемника, вызванного изменением контролируемой величины); силы света I (рис. 4.66, б) источника (световой поток изменяется при изменении отражательной способности контролируемой поверхности); угла наклона к светочувствительной поверхности.

Приборы, использующие электронные преобразователи (механо-троны). Радиоэлектронные преобразователи основаны на зависимости характеристик электронной лампы от геометрического расположения ее элементов (катодов, анодов, сеток и т. п.) Наибольшее распространение получили механотроны в виде двойных диодов с механическим управлением (рис. 4.67). Контролируемое изделие поворачивает на угол стержень 1, закрепленный на эластичной мембране 2. На другом конце стержня имеются аноды 3, перемещающиеся при контроле относительно катода 4. Анодный ток определяют по формуле ,

где k -- постоянный коэффициент; Uа -- анодное напряжение (Uа = соnst); lа.к - расстояние между анодом и катодом.

Таким образом, механотрон выполняет функции преобразователя и первой электронной лампы усилителя. Эти приборы характеризуются высокой чувствительностью, безынерционностью, малыми измерительным усилием и габаритами. Так, для механотронов типа 6МХ диапазон измерений составляет от ±0,1 до ±1 мм, чувствительность 3 - 100 мкА/мкм, измерительное усилие 0,015 - 0,4 Н, анодное напряжение 5 - 15 В. Недостаток механотронов - невысокая долговечность (1000 - 4000 ч).

4.11.3. Измерительные роботы [7]

Автоматизация в крупносерийном производстве экономически выгодна на основе специализированных автоматических линий. Для мелко- и среднесерийного производства при частой сменяемости выпускаемых изделий более выгодно идти по пути создания безлюдной технологии и использования перепрограммируемых промышленных роботов. Но в этом случае часто требуется точное позиционирование, например, контролируемых деталей. Серийно выпускаемые роботы обеспечивают точность позиционирования 0,1 мм.

Точность позиционирования определяет, например, выполнение тех контрольных операций деталей, зазоры между калибром и деталью в которых соизмеримы с этой точностью. При меньших допусках в захватном устройстве монтируется специальная головка или в системе управления манипулятором используются корректирующие обратные связи с датчиком очувствления, установленным на захватном устройстве или позиционере, где закреплена основная деталь.

Главная функция измерительного робота (ИР) -- захват и перемещение предмета (детали, измерительного средства) на требуемую позицию в соориентированном положении и в нужный момент времени. На основе использования ИР можно:

осуществлять метрологические процессы, которые по условиям производства невозможны с участием человека (токсичная, запыленная, загазованная, взрывоопасная среда, высокий уровень радиации рабочего пространства, сверхвысокие быстродействия, монотонные и тяжелые операции и т. п.);

достичь высокой производительности контроля в условиях быстрой сменяемости производства (гибкого автоматизированного производства), сокращения сроков обучения метрологическим приемам при выпуске новой продукции.

Робот может осуществлять:

качественную оценку состава рабочей среды;

установить присутствие определенных объектов, их счет, возможное расположение, дать качественную оценку, сортировку;

оценку значения параметров имеющихся или изготовляемых предметов (деталей);

определение правильности функционирования отдельных объектов или их частей.

Роботы первого поколения предназначены только для перемещения грузов различной массы.

Роботы второго поколения являются уже "очувствленными". Для "очувствления" они снабжены различными датчиками, выдающими информацию о состоянии рук, предметов и среды. После преобразования сигналы обрабатываются в ЭВМ и позволяют осуществить управление исполнительными устройствами с учетом фактических ситуаций. По сравнению с роботами первого поколения они обладают повышенной маневренностью, имеют большее число сложных программ и позволяют управлять оборудованием, автоматизировать контроль сборки и другие процессы в производстве с частым изменением условий.