ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО КОСВЕННОГО ИЗМЕРЕНИЯ БОЛЬШИХ И МАЛЫХ 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 машиностроении и станкостроении, в атомной промышленности, строительстве, в химической промышленности в процессе изготовления резервуаров и деталей большого диаметра, обрабатываемых на больших токарных, карусельных, расточных, шлифовальных станках.
Задача контроля размеров, особенно в тяжелом машиностроении, при изготовлении и контроле крупногабаритных деталей большого диаметра весьма актуальна, ее решение связано с рядом особенностей, присущих данному виду измерения, а именно:
- значительные размеры объектов измерения - механической обработке подвергаются детали с наружными диаметрами до 30000 мм;
- индивидуальный характер производства, в результате чего создается многообразие подлежащих измерению размеров, которые практически невозможно охватить существующими на практике измерительными средствами;
- значительные габариты и вес применяемых в настоящее время средств измерения, что усложняет их эксплуатацию, снижает точность измерения и их повторяемость;
В таких условиях могут найти применение средства измерения, обладающие универсальностью и надежностью, обеспечивающие вместе с тем высокую точность измерения при минимальных затратах времени и труда. В настоящее время средства измерения размеров больших наружных диаметров представляют копирование средств измерения малых и средних диаметров (до 500-800 мм), таких, как специальных штангенциркулей с большими губками, специальных скоб, и т.д. Скобы больших размеров снабжаются индикаторной головкой, изготавливаются из специальных сталей, имеют значительные массы, в результате которых увеличивается погрешность измерения от температурных деформаций, а для обслуживания известных средств измерения требуется не менее двух операторов.
Увеличение жесткости измерительных средств неизбежно вызывает увеличение их габаритных размеров и массы. Например, масса сварной скобы с пределом измерения до 5000 мм составляет около 25 кгс. Значительное уменьшение габаритных размеров измерительного устройства для измерения наружных диаметров более 500 мм возможно применения устройства, использующие косвенные методы измерения. К таким устройствам, в частности, относятся:
- обкатные устройства;
- устройства для измерения диаметра по элементам сегмента окружности;
При косвенных измерениях искомый размер определяют с помощью других размеров, связанных с искомым функциональной зависимостью. Известны устройства для измерения наружных диаметра изделия с применением обкатных роликов: патент РФ на изобретение N 2172469; устройство БВ 4274-04 для измерения наружных и внутренних диаметров в диапазоне 350÷16500 мм, ТД « Прибор» г.Смоленск, а\я 5; прибор ОП-6М по чертежу 8400.65.00.000 в диапазоне измерения 400-10000 мм, калькодержатель - Ижорский машиностроительный завод им. А.А.Жданова, г.Колпино, Ленинградская область.
Имея разные конструкции все обкатные устройства, как правило, работают по одному принципу - содержат датчик числа оборотов контролируемого изделия и датчик пути, подключенные к соответствующим формирователям импульсов. Диаметр изделия определяется из отношения длины пути, пройденного обкатным роликом, скорректированный с учетом датчика числа оборотов, к числу «π».
Рассмотренные обкатные устройства имеют невысокую точность измерения, сложную крупногабаритную электромеханическую конструкцию, большое время по подготовке устройства к измерению и самого процесса измерения.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству и методу измерения косвенного параметра для расчета наружного диаметра, является устройство для измерения больших наружных диаметров [патент РФ на полезную модель N 34242 «Устройство для измерения больших наружных диаметров», 2003 г.], принятое за прототип, содержащее снабженное базовой плоскостью основание, сопряженную с основанием измерительную призму, обращенную вершиной к базовой плоскости и установленный в основании измеритель линейных перемещений (ИЛП), отличающееся тем, что в нем измерительная призма выполнена в виде двух подвижных относительно биссектрисы угла призмы граней, снабженных привалочными плоскостями, на которых установлены удлинительные штанги, снабженные элементами крепления к граням и контактными поверхностями, обращенными к измеряемому объекту.
В описании патента на полезную модель N34242 «Устройство для измерения больших наружных диаметров», измеряемый диаметр определяется в соответствии с формулами:
Где,
Д- диаметр измеряемой поверхности детали, мм;
Кα - постоянный коэффициент, равный 2cosα/1-cosα;
Е - высота, измеренная от базовой (отсчетной) плоскости устройства до точки контакта вершины подвижного штока измерителя линейных перемещений (ИЛП) с поверхностью измеряемого диаметра (индицируется на мониторе ИЛП), мм;
h - высота, равная расстоянию от теоретической вершины призмы до точки контакта вершины подвижного штока ИЛП с поверхностью измеряемого диаметра, мм;
В - конструктивная постоянная призмы, равная расстоянию от теоретической вершины призмы до базовой (отсчетной) плоскости (приводится в паспорте на конкретную конструкцию призмы, мм;
α - угол между направлением измерения значения h и радиусом, проведенным из центра измеряемого диаметра перпендикулярно линии контакта боковой стороне штанги призмы, мм;
2β - угол при вершине призмы, град.;
В формуле устройства п.1 патента N34242 при описании его принципа измерения и конструкции, рассматривается вариант устройства, когда теоретическая вершина призмы обращена к базовой плоскости. Такая конструкция устройства имеет следующие (замеченные) недостатки:
1. Большие габаритные размеры по высоте при измерении больших диаметров, из-за которых невозможно измерить параметр Е: стандартные устройства линейного измерения имеют значительно меньшие возможности по своим ходам, чем требуется для измерения параметра Е. Это особенно выражено для измерителей с точностью измерения g=0,001 мм; g=0,0001 мм;
2. Большой вес и трудоемкость изготовления конструкции устройства по причинам больших габаритных размеров удлинительных штанг.
3. Потери в точности измерения из-за погрешностей значений углов α и β в месте угловой фиксации штанг и на их концах, в месте их контакта с измеряемым диаметром, что особенно проявляется в конструкциях призм с наставными штангами.
4. Неустойчивость фиксации устройства на измеряемом диаметре в строго вертикальном положении. Требуется длительная установка, отсюда и погрешности в измерении параметра Е, значения h и диаметра детали Д.
5. Отсутствие возможностей проведения специальных измерений, например, диметров канавок, когда ширина штанг в месте контакта с диаметром больше ширины канавок, измерение диаметров различных форм занижений на основном диаметре (выточек, проточек), когда стандартная форма контактируемых боковых штанг призмы отличается по форме от форм занижений.
6. Отсутствие возможностей применение устройства и для измерения диаметров меньших 500 мм, как конкурент традиционным средствам измерения наружных диаметров в виде микрометров, скоб и т.д.
Предлагаемая полезная модель направлена на устранение указанных недостатков устройства по патенту N 34242 и значительному расширению его применения в усовершенствованном виде.
Для решения этой задачи в устройстве для измерения больших наружных диаметров, содержащем основание и ИЛП, при этом основание имеет верхнюю базовую плоскость и в нем, перпендикулярно к базовой плоскости, выполнено отверстие, расположенное в плоскости симметрии основания, а ИЛП установлен в этом отверстии, согласно полезной модели основание выполнено в виде прямоугольного параллелепипеда с направляющими плоскость симметрии которых перпендикулярна оси измеряемого диаметра и параллельна базовой плоскости, и устройство снабжено двумя горизонтальными удлинительными штангами, устанавливаемыми с возможностью перемещения и фиксации в направляющих основания, при этом на концах удлинительных штанг, параллельно оси измеряемого диаметра расположены оси, вокруг которых, занимая различные угловые положения относительно оси отверстия основания и симметрично ей, поворачиваются и фиксируются две боковые штанги, плоскости контакта которых с поверхностью измеряемого диаметра образуют различные конструкции измерительных призм, вершины которых, располагаясь по линии оси отверстия основания, могут занимать любые положения относительно базовой плоскости.
Для расширения технологических возможностей устройства в части проведения специальных измерений на боковых штангах установлены накладки с возможностью перемещения и фиксации вдоль штанг.
Учитывая ограниченные возможности ИЛП в части их максимальных ходов при измерении параметра Е устройство дополнительно снабжено регулируемым по высоте ограничительным упором хода подвижного штока ИЛП, базируемого своей цилиндрической поверхностью в части отверстия основания и контактирующего своей вершиной с поверхностью измеряемого диаметра.
Предлагаемая полезная модель устройства для измерения наружных диаметров представлена на чертежах, где:
На фиг.1, 2, 3 приведены нерегулируемые конструкции устройств и параметры для определения наружных диаметров, в которых вершины пересечения контактируемых плоскостей боковых штанг призм с измеряемым диаметром расположены по оси отверстия основания соответственно ниже базовой плоскости, на базовой плоскости и выше базовой плоскости.
На фиг.4 приведена конструкция устройства с горизонтальными удлинительными штангами, бесступенчато-регулируемым углом при вершине призмы, в которой вершина пересечения контактируемых с измеряемым диаметром плоскостей боковых штанг призмы направлена от базовой плоскости, расположена по оси отверстия основания и находится вне устройства.
На фиг.5 приведен вид по стрелке А на фиг.4.
На фиг.6 приведена конструкция устройства с ограничительным упором хода подвижного штока ИЛП, горизонтальными удлинительными штангами, бесступенчато-регулируемым углом при вершине призмы, в котором вершина пересечения контактируемых с измеряемым диаметром плоскостей накладок, расположенных на боковых граней призмы, направлена к базовой плоскости и находится внутри устройства.
На фиг.7 приведена эскизная конструкция ограничительного упора.
На фиг.8 приведена эскизная конструкция оснастки и принцип настройки боковых измерительных штанг призмы под необходимыми углами α и β.
На фиг.9 приведен вид С на специальную накладку по фиг.6.
На фиг.10 пример конструкции специальной накладки, расположенной на боковой штанги, для измерения диаметра канавки.
Устройство содержит основание 1, ИЛП 2, ограничительный упор 3 хода подвижного штока ИЛП (фиг.6).
Основание 1 (фиг.4) выполнено в виде прямоугольного параллелепипеда определенной длины и высоты с верхней базовой плоскостью Б, нижней плоскостью С, параллельной базовой плоскости и направляющего отверстия 4, расположенного в плоскости симметрии основания, предназначенного для проведения линейных измерений с помощью ИЛП.
В торцевых плоскостях Т и Т' основания 1, выполнены направляющие 5 по которым в обе стороны от оси отверстия 4 перемещаются горизонтальные удлинительные штанги 6. На концах горизонтальных штанг 6 расположены оси 7, вокруг которых в пазах 8 удлинительных штанг, в процессе настройки устройства, могут занимать различные угловые положения боковые измерительные штанги 9 с пазами 10,плоскости контакта которых Ж образуют конструкцию измерительной призмы с теоретической (виртуальной) вершиной в т.А, с различными углами при вершине 2β.
Угловое положение измерительных плоскостей Ж штанг 9 относительно биссектрисы угла 2β (оси отверстия основания) настраивается с помощью угольника 11, расположенного на плоскости К удлинительных штанг 6 и контактирующего, как упором, в момент настройки, своей торцевой плоскостью с торцевыми плоскостями Т и Т' основания 1. Закрепление углового положения штанг 9 производится гайками 12.
Настройка горизонтальных удлинительных штанг 6 с закрепленными на них боковыми штангами 9 относительно биссектрисы угла при вершине призмы Производится с помощью вспомогательной оснастки, приведенной на фиг.8. В отверстие 4 основания 1 вставлен штырь 13, на конце которого, в пазе 14, вставлена пластина 15, настроенная на размер К1 и закрепленная винтом 16, которая контактирует с уже настроенной и закрепленной плоскостью Ж боковой штанги 9 в точке В1. Точка В1 является упором при перемещении горизонтальных штанг 6. При достижении контакта пластины 14 с плоскостью Ж штанг 9, перемещение удлинительной штанги прекращается, а ее положение фиксируется винтом 17. Рассмотренный процесс настройки
приведен для одной удлинительной штанги. Для настройки положения второй удлинительной штанги пластину 15, без корректировки размера К1 поворачивают на 180 и далее повторяются рассмотренные выше настроечные переходы.
Произведенная установка углового положения боковых штанг 9 по угломеру 11 под углом β и симметричность их расположения относительно оси отверстия основания гарантирует высокую точность настройки устройства с любыми углами α и β, при минимальной себестоимости его механического изготовления.
ИЛП 2 (табл.1) имеют конструкции стандартных устройств, как правило, с подвижным измерительным штоком 18 (фиг.4), имеют цифровой отсчет 19 (фиг.6) и выход на периферийное счетно-решающее устройство, которое может быть вне или внутри самого измерителя. Возможности ИЛП по точности линейного измерения во многом определяет точность устройства, его габаритные размеры. В настоящее время, в нашей стране в основном применяются ИЛП в виде штангенциркулей типа ШЦ1 с линейкой для измерения глубины, глубиномеров с дискретностью измерения g=0,1 или 0,01 мм, без цифрового отсчета и возможности передачи информации в вычислительные устройства, что естественно не дает возможности их эффективного применения ни в данном, ни в других измерительных устройствах.
Фирма «Теза» (Швейцария) [каталог ISO 9001] для измерения линейных перемещений применяет большую номенклатуру штангенциркулей, глубиномеров, специальных измерителей с дискретностью измерения g=0,01 мм; g=0,001 мм; g=0,0001 мм, с цифровым отсчетом, с возможностью передачи информации на вычислительные устройства, находящиеся вне или внутри самого измерителя.
В процессе измерения наконечник подвижного измерительного штока 18 ИЛП может непосредственно контактировать с поверхностью измеряемого диаметра или с торцевой плоскостью Ф ограничительного упора 3 (фиг.6), цилиндрическая часть которого 20 базируется в части отверстия 4., а регулируемая на резьбе часть 21 (фиг.7) своей вершиной контактирует с поверхностью измеряемого диаметра. При этом, настроенная с необходимой точностью общая высота упора Нуп. фиксируется гайкой 22, а положение упора в отверстии 4 фиксируется винтом 23. Применение ограничительного упора особенно целесообразно для ИЛП с дискретностью измерения g=0,001 мм и g=0,0001 мм, у которых небольшой ход подвижного штока, в большинстве случаев, недостаточен для проведения замера размера Е.
Таблица 1.
Nп/п
Измерит.Средство.
Дискрет-ность,мм g
ДиапазонИз-я, мм
Возможность авт-ого расчета диам. измерителем.
1
Штангенцирк. С нониусным отсчетом
0,1
0-125
Отсутствует
2
Штангенциркуль
0,01
0-125
Отсутствует
Ф-мы Теза
0-150
3
Лин. датчик DIGIO-1 (Теза)
0,001
0-60
Имеется
4
Лин. датчик DIGIO-2 (Теза)
0,001
0-30
Имеется
5
Лин. датчик DIGITAL60 (Teза)
0,0001
0-10
Отсутствует
Для проведения специальных измерений, например, диаметров канавок, выточек, когда ширина боковой штанги призмы больше ширины измеряемого технологического объекта на боковых штангах могут быть закреплены винтами 24 накладки 25 (фиг.6). Применение накладок целесообразно и для уменьшения веса устройства, когда, например, ширина боковых штанг может быть взята минимальной, а для надежной фиксации устройства на измеряемом диаметре, в местах контакта, могут быть применены более широкие накладки.
В патенте N34242 рассматривается вариант устройства по которому теоретическая вершина призмы находится на оси отверстия основания и обращена к базовой плоскости, т.е. находится ниже ее и не рассматриваются другие варианты расположения вершины призмы относительно базовой плоскости.
В данном описании устройства приведены все возможные схемы положения вершины призмы относительно базовой плоскости и формулы расчетов значения высоты h.
Первый вариант (фиг.1) - вариант рассмотренный в формуле на патент 34242, когда вершина призмы находясь на оси отверстия основания обращена к базовой плоскости. В этом варианте значение h определяется по формуле:
Второй вариант - вариант расположения теоретической вершины призмы на базовой плоскости (фиг.2). В этом варианте значение В=0, а значение h, определяется, как:
Третий вариант - вариант, когда теоретическая вершина призмы находится выше базовой плоскости (фиг.3). В этом варианте значение h определяется, как:
В случае применения в рассматриваемом варианте устройства ограничительного упора 3 расчет значения h производится по формулам:
Где,
Нуп. - настроенная высота ограничительного упора хода штока ИЛП, мм;
Mi - высота, измеренная от базовой плоскости устройства до точки контакта наконечника подвижного штока ИЛП с торцевой плоскостью Ф упора 3, мм;
При этом, формулы (5), (6), (7) соответствуют первому, второму, третьему вариантам расположения вершины относительно базовой плоскости. В предлагаемом устройстве, согласно формуле (1), точность измеряемых диаметров может регулироваться коэффициентом Кα в диапазоне (1-90 град.) углов α и β призм и значением дискретности существующих ИЛП в пределах g=0,1÷0,0001 мм, при расчете высоты h. Например, формула(1) измерения наружных диаметров при угле α=45; β=45 и α=30; β=60 будет иметь вид соответственно: Д=4,828h, Д=12,925h, что при расчетном значении h=100,12 мм даст соответствующие значения диаметров: 483,37 мм и 1294,05 мм. При этом, чем меньше угол α и меньше значение дискретности g, тем будут меньшие габаритные размеры устройства.
Варианты использования предлагаемого устройства для измерения наружных диаметров деталей в процессе их обработки от заготовки до готовой детали.
Первый вариант - обычный вариант, применяемый при измерении известными измерительными средствами, когда оператор станка по результату расчета значения h предыдущего обработанного диаметра по формулам (2), или (3), или (4), в зависимости от настроенного устройства по расположению вершины призмы относительно базовой плоскости или по формулам (5), (6), (7), в зависимости от наличия (отсутствия) ограничительного упора, определяет значение диаметра по формуле (1), сравнивает это значение с требуемым, назначает глубину резания следующего прохода, откладывает это значение по нониусу станка, производит обработку наружной поверхности, вновь измеряет значение Е, рассчитывает новое значение h и так далее, до получения значения окончательного диаметра, ограниченного пределами допуска. Достоверность измеренного диаметра, в этом случае подтверждается расчетом и получением соответствующих косвенных значений высоты h.
Второй, наиболее перспективный вариант для данного устройства, заключается в том, что используются ИЛП по типу 3, 4 (табл.1), с использованием которых, замеренные и индицируемые на мониторе значения Е или М, далее по выше рассмотренным и за программируемым формулам, индицируется на том же мониторе ИЛП, уже как наружный диаметр. В результате чего отпадает необходимость в ручных расчетах и наличии калькулятора, как в первом варианте.
В обеих вариантах технологический процесс одного измерения, при любых габаритах измеряемой детали, займет не более 0,3 мин.
Для примера этот же процесс измерения с применением различных обкатных устройств займет не менее получаса.
Предлагаемое устройство, имея небольшие габаритные размеры и вес по сравнению с известными измерительными средствами аналогичного назначения, обладает широтой диапазона измеряемых диаметров с высокой точностью их измерения. Простата конструктивного решения и высокие эксплутационные характеристики устройства обеспечат ему широкое применение в различных отраслях промышленности, на любых предприятиях, при измерении больших и малых диаметров, обрабатываемых на токарных, карусельных, расточных, шлифовальных и других специальных станках. При этом, вместо семейства традиционных средств измерения в виде микрометров, скоб, штангенциркулей и т.д. с незначительным диапазоном измеряемых диаметром, для этого же диапазона измеряемых диаметров, потребуется значительно меньшее количество предлагаемых устройств.