Устройство для измерения больших наружных диаметров

Предлагаемая полезная модель предназначена для измерения наружных диаметров, преимущественно - для измерения больших наружных диаметров и может найти применение в различных отраслях промышленности, в частности, в машино и станкостроении, в строительстве, в химической промышленности в процессе изготовления резервуаров большого диаметра, на железнодорожном транспорте при ремонте бандажей железнодорожных колесных пар на колесотокарных станках.
Задача контроля размеров, особенно в тяжелом машиностроении, при изготовлении деталей большого диаметра весьма актуальна, ее решение связано с рядом особенностей, присуш,их данному виду измерений, а именно:
значительные размеры объектов измерения (механической обработке подвергаются детали до 10000 мм и более); индивидуальный характер производства, в результате чего создается многообразие подлежащих измерению размеров, которб/ практически невозможно охватить существующими на практике измерительными средствами; значительные габариты и вес применяемых в настоящее время средств измерения, что усложняет их эксплуатацию, снижает точность измерений и их повторяемость; В таких условиях могут найти применение средства измерения, обладающие универсальностью и надежностью, обеспечивающие вместе с тем высокую точность измерений при минимальных затратах времени и труда.
В настоящее время средства контроля и измерения больших диаметров представляют собой копирование средств измерения малых и средних диаметров (до  мм), таких, как штангенциркуль, скобы (диаметральные и линейные). Скобы больших размеров снабжаются индикаторной головкой, изготавливаются из листовой стали путем сварки или из труб ( с пределом измерения до 2000 мм). Известные средства измерения имеют значительный вес (более 12 кГс). Из-за значительной массы устройства увеличивается погрешность измерения от температурных деформаций. Для обслуживания известных средств измерения требуется не менее двух операторов 1,2.
Значительное уменьшение габаритных размеров измерительного инструмента для измерения наружных диаметров более 1000 мм возможно косвенным методом, к которым, в частности относятся:
измерение диаметра по длине хорды и высоте сегмента; измерение от дополнительных баз.
При косвенных измерениях искомый размер определяют с помощью других размеров, связанных с искомым функциональной зависимостью, однако применение косвенного метода для визуального контроля требует последующей обработки результатов, например, табличной или при помощи номограмм, графиков. Счетно-решаюш,ие устройства, сопряженные со средством измерения, имеющим цифровой преобразователь, позволяют вычислить контролируемый размер непосредственно с необходимой точностью, кроме того, позволяют прогнозировать изменение размера обрабатываемой детали в процессе ее изготовления.
Известно устройство для измерения диаметров фирмы «Tesa 3.
Устройство включает основание в виде призмы с углом при верщине 120°угл., снабжено измерителем перемещения с цифровым отсчетом,, имеющим выход на периферийные устройства заполний АГИя и отображения результатов измерения. Устройство позволяет измерять наружные диаметры в диапазоне до 1000 мм с точностью ±0,1 мкм.
Отвечая основным требованиям к измерительным средствам для измерения больщих диаметров, известное устройство однако имеет ограниченное применение.
Известно устройство 1, принятое за прототип, принцип измерения которого основан па результатах измерегшя элементов окружности. Устройство содержит основание в виде скобы, оконечности которой снабжены контактными поверхностями, образующими угол стС , постоянный для известной конструкции. Контактные поверхности образуют рабочие грани измерительной призмы. Зависимость между показаниями измерителя линейных перемещений, установленного в основание устройства, и отклонением размера диаметра определяется зависимостью:, д t)-  дЬ
где Л JD - отклонение измеряемого диаметра от размера, на кото1:)ьп1 установлен прибор, в мкм;
2Sin
- -  Известное устройство позволяет определять отклонение диаметра ог размера, на который установлен нрибор, в мкм но имеет узкий диапазон измерения.
Предлагаемая полезная модель для измерения наружных диаметров свободна от недостатков, присущих известным устройствам аналогичного назначения.
Предлагаемая полезная модель представлена на чертежах, где:
-на фиг. 1 ноказан общий вид устройства без дополнительных
штанг;
на фиг. 2 показан вид сверху;
на фиг. 3 показан вид по стрелке А фиг. 1;
на фиг. 4 показано сечение В-В с контактной поверхностью,
соприкасающейся с измеряемым объектом, удлинителыюй
штанги; - на фиг. 5, 6 показаны дополнительные штанги для
специальных измерений;
на фиг. 7 показан принцип измерения предлагаемым
устройством.
Устройство (см. фиг. 1) содержит основание 1 с отсчетной плоскостью 2, на которую опирается установленное в гнезде 3 основания 1 измеритель линейных перемещений 4. Измеритель имеет цифровой отсчет и выход на периферийные устройства регистрации и обработки результатов измерений. Основание имеет приливы 5 и 6, в которых выполнены посадочные отверстия 7 и 8 для установки дополнительных штанг 9, 10 (см. фиг.2) для измерений диаметра деталей, имеющих опорные плоскости перпендикулярные продольной оси детали, например, кольцевые буртики. Дополнительные штанги крепятся элементами крепления 11,12. В основании 1 выполнены пазы 13,14, в которых размещены подвижные грани 15 и 16 измерительной призмы, образованной этими гранями. Грани вращаются вокруг осей 17,18 имеют привалочные плоскости 19,20 (фиг.3),сопрягающиеся с удлинительными штангами 21,22. Штанги крепятся к граням призмы элементами крепления 23 и имеют контактные поверхности 24 (фиг.4). На гранях 15,16 смонтированы фиксаторы угла раствора граней относительно биссектрисы угла призмы.располагаются в пазах, выполненных в гранях и состоящие из движков 25 и 26, подпружиненные пружинами 27 соответственно. На отсчетной плоскости 2 основания 1 установлен указатель 28 вертикального и горизонтального положения устройства на объекте измерения 29. Дополнительные штанги 9 (фиг.5) и 10 (фиг.6), предназначенные для измерений диаметров деталей, имеющих опорные буртики в плоскости, перпендикулярной продольной оси детали могут иметь фиксированную или переменную длину L. В последнем случае они имеют выдвижпые штоки 30 (фиг.5) и 31 (фиг. 6),шкалы 32 и 33 соответственно, контактные элементы 34 (фиг. 5) и 35 (фиг.6). Шток 30 фиксируется в заданном
положении фиксатором 36, а шток 31 и контактный элемент 35 (фиг.6) фиксаторами 37 и 38 соответственно. На основании устройства нанесены шкапы 39 величин углов, на которые отклоняются гра.ни 15 и 16 измерительной призмы от биссектрисы ее угла.
Принцип измерения наружных диаметров поясняется фиг. 7.
Из треугольника ОАВ после преобразования имеем:
. .. , , /-.-ч
-ТГс Т Г.  СО
X);. .:.  ГО
f)
. -  CF-eJ)(
J 7 -диаметр измеряемой поверхности, мм. /7L -измеренная высота, равная расстоянию от теоретической вершины призмы до точки контакта измерителя с поверхностью измеряемой детали, проходящей через ее центр О. стС -угол между направлением измерения величиныи радиусом, проведенным перпендикулярно  контакта (АВ). / -величина, измеренная от базовой отсчетной плоскости призмы до точки контакта измерительного средства с поверхностью детали(индицируется на экране измерительного средства). о -высотнаяпостоянная призмь/, равная расстоянию теоретической вершины призг ь/до базовой (отсчетной) плоскости призмы. (Л угловая постоянная нризмы, равная 2в -угол при вершине призмы. Значениями  и Ко( компенсируется высотная погрешности изготовленной призмы с обязательной симметрией угла относительно линии измерения. Значения В и /хоС. мо17Т быть измсре1н,1 с 6ojH.iHOH точностью с помощью электронного микроскопа и занесены в паспорт на призму. Как видно из фиг. 7,6 процесс измерения, в зависимости от
измеряемого диаметра, точка icoiri-акта В перемещается по прямой Л13 (по линии контакта), при Э1ом:
Из треугольника ОАВ имеем:
,  / та)(. tQ oi. (5у
Jf& )tn - Я m-Ln   c.
i.f
где /.УпйХ -f лАУ7Л - максимальный и минимальные радиуеы деталей, которые возможно замерить конкретной призмой;
Значение  -  определяет перемещение линии контакта.
Подставляя в выражения (1) или (2) значения   г  , которые предполагается измерить с помощью конкретной призмы,
получим:
/7/   :-
h
ГТПП
Значение бН П т)( - п t mln определяет ход измерения, необходимый для выбора измерительного средства, при этом точность измерения диаметра зависит от дискретности измерительного средствадля
определения значения.
В таблице 1 приведены некоторые средства измерения линейных перемещений для определения величины /T.ia :
X)f/yTO)(
J)jniin
Г)
1Г
TaOjn iun 1.
pq H О О ,cj
CQ I-H ffi (Я H
et X 3
Для наглядного примера о возможностях предлагаемого устройства для измерения наружных диаметров взяты три удлинительные штанги, а именно - длиной Ш1, равная 100, Ш2, равная 200 и ШЗ, равная 300 мм попарно.
При этом задаемся углом со значениями 3, 5, 10, 20, 30, 45 и 60 градусов угловых и, соответственно, значение удвоенного угла i6 будет 174, 170, 160, 140, 120, 90 и 60 градусов угловых.
Числовые значения для выбранных примеров сведены в таблицу 2, где в строке 1 приведены рабочие формулы фрикционной зависимости г  -f )  призм С выбранными значениями углов о/ -и /2 , определенные по вышеприведенной формуле (I), в строке 2 - зависимости /2.; и - J- () Для выбранных примеров различные сочетания углов и длин штанг разбиты на 7 типов, причем призма с наибольшим значс1П1ем угла С7 отнесена к первому типу, а призма с наименьшим значением угла 2 отнесена седьмому типу. Например, рабочая формула призмы первого типа будет иметь вид:  - 2h-i , а для призмы пятого типа 1)г  -I29,mj Подставляя в приведенные выражения значения Л/ , равные одной дискрете выбранных измерительных средств, приведенных в таблице 1, в строках 3 и 4 таблицы 2 имеем:
-для призмы первого типа: Qo,ci 2. ; jo,ooi -  ;
-для призмы пятого типа:  /  O,
Таким образом, изменение высоты измерения /// на одну дискрету измерительного средства эквивалентно изменению измеряемого диаметра соответственно на 20 мкм (90,01) или на 2 мкм (90,001), 1,29578 мм и 0,129578 мм для призм первого и пятого типа соответственно.
Исходя из вышеизложенного, можно сформировать сравнительные коэффициенты для определения точности различных вариантов применяемых на практике призм:
,х„ - J (9) K.nf
Где: /./75 - коэффициент точности призмы по типу 5;  - угловой коэффициент призмы по типу 5; К. d - угловой коэффициент призмы по типу 1. Для приведенного выше примера
i2.g,
- , S9 (н)
Kns -- 5
Таким образом, вариант призмы по типу 1 в 65 раз точнее призмы по типу 5. В строке 5 таблицы 2 приведены коэффициенты Кп: для различных типов призм, отнесенные к коэффициенту Кп для призмы 1-го типа, принятого за 1.
В Таблице 3 приведены результаты измерения конкретных диаметров при использовании призм соответствующего типа () с применением удлинительных штанг Ш1-ьШЗ в различных сочетаниях, соответствующих Таблице 2.
Работа с предлагаемым устройством производится в следу1ощем порядке. Для определения неизвестного диаметра призма устанавливается на объект так, чтобы грани 15 и 16 (см. фиг.1) призмы были разведены па равные углы от биссектрисы угла, а контактные поверхности 24 (фиг.4) удлинительных щтанг 21 и 22 (см. фиг.1) касались образующей объекта 29 (см.фиг. 1). При этом шток измерителя линейных перемещений 4 (см.фиг. 1) также касается образующей объекта 29. Если объект измерения представляет собой сферическую поверхность, то указатель вертикального положения 28 (фиг.1) устанавливаем на ноль.
Измерителем линейных перемещений замеряют расстояние Е(см.фиг.7), например, ,42 мм. Из значения ,42мм вычитают паспортную постоянную призмы В, например ,1. Полученное значение  (Е-В)24,32 подставляют в формулу призмы, например,
типа 2 и получают -fQ
j}t( 4.  , - -.
таким образом, неизвестное значение диаметра равно 117,43 мм.
Для выбора типа призмы по данному измеряемому диаметру берут, например,
080 /(при углео 20°угл.) и измеритель линейных перемещений с  0,001 мм. Значение допуска в 20 мкм можно получить при помощи призм 1-го и 2-го типов:
-  - (%  (
или округленно
Предлагаемое устройство позволяет измерять большие диамечры объектов, например, ...,.-  диаметров кругов катания железнодорожных колес в процессе их восстановления на колрсотокарных станках, с высокой степенью точности, а также других объектов в процессе изготовления, например, венцовых шестерен экскаваторов, шкивов большого диаметра и других крупногабаритных деталей в машиностроении и станкостроении..
Библиография.
1.Справочник по производственному контролю в машиностроении. Под общей редакцией А.К.Кутая. Гос.ПТИ машиностроительной литературы. М.1964Г. стр. 387-395.
2.Измерительный инструмент и приборы. Каталог. ПИП информации по машиностроению.М. 1976.стр. 120- 122; 24бч-251.
3.Каталог измерительных инструментов и измерительных систем фирмы «Теза,Швеция,2001 .стр.6-14.