ИЗМЕРИТЕЛЬ ДИАМЕТРОВ

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к средствам измерения диаметров, преимущественно больших.
Измерение наружных и внутренних больших диаметров в большом диапазоне их значений с высокой точностью представляет сложную техническую задачу и обычно решается применением нескольких типоразмеров измерительных средств.
Известны устройства для измерения наружных диаметров, например, в виде измерительной скобы [А.ДРубинов, Контроль больших размеров в машиностроении, Ленинград, Машиностроение, 1982, стр.62, рис.2.28], включающей состоящее из поперечной балки основание с расположенными на нем двумя губками, установленными перпендикулярно ему с возможностью фиксации изменения расстояния между ними. На губках установлены опоры: на одной - неподвижная опора, на другой - подвижная с датчиком линейных перемещений.
Основные недостатки скобы - малый диапазон измеряемых диаметров и большие габариты, превышающие измеряемый диаметр.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для измерения больших наружных диаметров, принцип действия которого основан на измерении элементов окружности, [см. Пат. RU на полезную модель №34242, МПК G01B 05/08, приор. 10.06.2003 г.], включающее основание, перпендикулярную основанию стойку, два снабженные удлинительными штангами рычага с привалочными поверхностями, установленные с возможностью дискретного изменения угла между рычагами и возможностью вращения вокруг стойки, и измеритель линейных перемещений, установленный в основании по биссектрисе угла между рычагами.
Устройство имеет увеличенный диапазон измерений диаметров за счет возможности изменения фиксированного угла между рычагами и изменения длины рычагов, однако оно предназначено для измерения только наружных диаметров и имеет высокую погрешность измерений из-за недостаточной точности установки рычагов на фиксированные значения углов между ними.
Предложенное устройство обеспечивает измерение наружных и внутренних диаметров с высокой точностью в широком диапазоне диаметров. С помощью устройства возможно также измерение неплоскостности больших поверхностей (предельный случай измерения отклонения от диаметра, равного бесконечности).
Такой результат достигнут, когда в измерителе диаметров, преимущественно больших, включающем основание, установленную перпендикулярно основанию стойку, установленные с возможностью изменения угла между ними два рычага, снабженные удлинительными штангами и контактными элементами, и размещенный в основании между рычагами датчик, новым является то, что основание неподвижно соединено с одним из рычагов, второй рычаг установлен на стойке с возможностью непрерывного изменения угла между рычагами, рычаги выполнены равной длины в виде дуги, радиус которой соответствует минимальному радиусу расчетного диапазона измерений, контактные элементы рычагов выполнены в виде размещенных на концах рычагов роликов одинакового диаметра, датчик выполнен в виде датчика угла, установлен соосно со стойкой, при этом корпус датчика связан с одним из рычагов, а вал датчика - с другим, выход датчика через устройство ввода измерительной информации связан с вычислительным устройством, а в основании соосно стойке установлен третий контактный элемент в виде ролика, диаметр которого больше диаметра корпуса датчика.
Подходы к выполнению вычислительного устройства с функцией ввода измерительной информации с датчиков известны.
Подходы к решению задачи установки датчиков угла для минимизации ошибок измерений известны.
На фиг.1 приведена схема измерителя диаметров, где основание 1, рычаги 2, стойка 3, ролики 4, 5, датчик 6 угла, ролик 7, измерительный преобразователь 8, вычислительное устройство 9;
1
2
L - длина рычагов между центрами роликов 7 и 4, 7 и 5, d - диаметр роликов 4 и 5, d - диаметр ролика 7, f - угол между рычагами 2.
На фиг.2 приведена схема установки измерителя при измерении большого наружного диаметра, где рычаги 2, стойка 3, ролики 4, 5, датчик 6 угла, ролик 7;
1
2
D - измеряемый диаметр, L - длина рычагов между центрами роликов 7 и 4, 7 и 5, d - диаметр роликов 4 и 5, d - диаметр ролика 7, f - угол между рычагами 2.
На фиг.3 приведена схема установки измерителя при измерении большого внутреннего диаметра, где рычаги 2, стойка 3, ролики 4, 5, датчик 6 угла, ролик 7;
1
2
D - измеряемый диаметр, L - длина рычагов между центрами роликов 7 и 4, 7 и 5, d - диаметр роликов 4, 5, d - диаметр ролика 7, f - угол между рычагами 2.
На фиг.4 приведена схема установки измерителя при измерении неплоскостности больших поверхностей, где рычаги 2, стойка 3, ролики 4, 5, датчик 6 угла, ролик 7;
1
2
Н - отклонение от плоскостности в узловой точке, L - длина рычагов между центрами роликов 7 и 4, 7 и 5, d - диаметр роликов 4, 5, d - диаметр ролика 7, f - угол между рычагами 2;
---------- обозначение последующего положения рычага.
Устройство работает следующим образом.
1
2
При измерении наружного диаметра измеритель устанавливают на измеряемый объект (вал) в плоскости, перпендикулярной оси вала, до касания вала всеми тремя контактными роликами, что возможно вследствие того, что один рычаг 2 установлен на стойке 3 с возможностью непрерывного изменения угла f между рычагами (фиг.2). Благодаря тому, что датчик 6 угла установлен соосно стойке 3, вокруг которой поворачивается один из рычагов 2, корпус датчика 6 связан с одним рычагом, а вал с другим, датчик угла 6 определяет угол f между рычагами 2 (угол между отрезками, соединяющими центры роликов 7 и 4, 7 и 5). Значение этого угла через устройство связи 8 в виде кода передается в вычислительное устройство 9. По этому углу f и известным параметрам измерителя (одинаковым диаметрам роликов 4 и 5 - d, диаметру ролика 7 - d и одинаковой длине рычагов L) в вычислительном устройстве рассчитывается измеряемый диаметр вала D по формуле
D - измеряемый диаметр, мм;
L - длина рычагов 2, мм;
1
d - диаметр роликов 4 и 5, мм;
2
d - диаметр ролика 7, мм;
f - угол между рычагами 2, угл. град.
Подходы к выводу формулы (1) известны из геометрических построений.
1
2
При равенстве диаметров всех трех контактных роликов d=d=d общая формула (1) упрощается
где D - измеряемый диаметр, мм;
L - длина рычагов 2, мм;
d - диаметр контактных роликов, мм;
f - угол между рычагами 2, угл. град.
1
2
В дальнейших примерах используется вариант, когда d=d=d.
Благодаря форме рычагов 2 в виде дуги диапазон работы измерителя диаметра при контроле наружных диаметров расширяется в сторону малых диаметров. Радиус дуги должен соответствовать минимальному радиусу расчетного диапазона измерений.
При выполнении роликов одинаковыми с высокой точностью и установке роликов относительно стойки и своих осей с высокой соосностью, погрешность измерений можно минимизировать.
Максимальный диаметр, измеряемый устройством, не ограничен, и определяется только допустимой погрешностью измерений, которая нелинейно растет с увеличением диаметра.
Измеритель можно использовать и для измерения внутренних больших диаметров (фиг.3).
Измеритель устанавливают на поверхность отверстия в плоскости, перпендикулярной его оси, до касания поверхности всеми тремя контактными роликами.
В этом случае расчет измеряемого диаметра по известным параметрам измерителя и измеренному углу между рычагами 2 производится по формуле
D - измеряемый диаметр, мм;
L - длина рычагов 2, мм;
d - диаметр роликов, мм;
f - угол между рычагами 2, угл. град.
Измеритель диаметров можно также использовать для измерения неплоскостности больших поверхностей, например, фундаментных плит энергооборудования. Неплоскостность измеряют шаговым методом (фиг.4).
Устройство устанавливают на плоскую поверхность до касания поверхности всеми тремя контактными роликами и перемещают по поверхности на шаг, равный длине рычага L. При этом прямая линия, проходящая через точки касания с поверхностью двух роликов, принимается за базу, а отклонение третьей точки касания от прямой принимается за отклонение от плоскостности в точке. Неплоскостность поверхности определяется как последовательная сумма отклонений в узловых точках.
Расчет отклонения Н от плоскостности в узловой точке по известным параметрам измерителя и измеренному углу между рычагами 2 производится по формуле
Н - отклонение поверхности от плоскостности, мм;
L - длина рычагов, мм;
f - угол между рычагами 2, угл. град.
Перед измерениями необходимо провести калибровку измерителя диаметров.
Вначале определяются геометрические параметры измерителя диаметров. На измерительной машине определяют диаметры роликов d, длину рычагов L (расстояние между центрами роликов 7 и 4, 7 и 5) и заносят данные в память вычислительного устройства. Эти параметры используются затем при расчете измеряемых диаметров.
Применение в качестве датчика угла 6 абсолютного датчика позволяет сохранять параметры калибровки при отключении питания. Возможно применение в устройстве более дешевых инкрементных датчиков угла (датчиков приращения), однако тогда процесс калибровки необходимо проводить перед каждым циклом измерений, чтобы измерять значения угла между рычагами, потому что при отключении питания результаты калибровки не сохраняются.
Собственно калибровка может быть осуществлена двумя способами: по эталонному кольцу известного диаметра или по эталонной плоскости. Подходы к решению этих задач известны.
Калибровка по эталонному кольцу дает меньшую погрешность в случае измеряемых диаметров, близких к диаметру эталонного кольца.
Пример конкретного исполнения.
По схеме, приведенной на фиг.1, разработан и изготовлен экспериментальный образец универсального измерителя больших диаметров.
Длина рычагов составила 300 мм, диаметр роликов 100 мм. Радиус кривизны рычагов выбран 300 мм в связи с преимущественным использованием измерителя для контроля диаметров валов и отверстий в диапазоне 500-1500 мм. Контактные ролики выполнены из инструментальной стали. Отклонение роликов по диаметру друг от друга не превышает 2 мкм., несоосность роликов посадочному валу не превышает 3 мкм. Длина рычагов (расстояние между центрами роликов 7 и 4, 7 и 5) аттестована с погрешностью 3 мкм.
В устройстве используется абсолютный датчик угла российской фирмы СКВ ИС с полым валом типа ЛИР-ДА 190. Основная погрешность датчика ±3,5 угл. сек..
В качестве вычислительного устройства используется миникомпьютер (нетбук). При этих параметрах расчетная погрешность устройства при измерении диаметров в различных диапазонах измерений составляет (погрешность имеет нелинейную зависимость, приведена для начала и конца диапазона):
- диаметр, мм.
400-800
- погрешность измерения диаметра, мм.
±(0,02-0,05)
- диаметр, мм.
800-1500
- погрешность измерения диаметра, мм.
±(0,05-0,12)
- диаметр, мм.
1500-3000
- погрешность измерения диаметра, мм.
±(0,12-0,40)
Проведенные испытания подтвердили величину расчетной погрешности при измерении валов диаметром 500-600 мм.
Погрешность измерений для конкретного диапазона измеряемых диаметров можно минимизировать изменением длины рычагов L.
В дальнейшем предполагается использование универсального измерителя больших диаметров при работах по контролю валов и отверстий большого диаметра в энергетическом машиностроении.