УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БОЛЬШИХ ВНУТРЕННИХ ДИАМЕТРОВ

Предлагаемая полезная модель предназначена для измерения внутренних диаметров, преимущественно для измерения больших внутренних 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 внутренними 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 внутренних диаметров представляют копирование средств измерения малых и средних диаметров (до 500-800 мм), таких, как специальных штангенциркулей с большими губками, специальных калибров пробок, микрометрические штихмасы, нутромеры и т.д. Микрометрические штихмасы и нутромеры 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 штанги микрометрического штихмаса с пределом измерения до 5000 мм составляет около 25 кгс. Значительное уменьшение габаритных размеров измерительного устройства для измерения внутренних 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;
-устройства для измерения от дополнительных баз
При косвенных измерениях искомый размер определяют с помощью других размеров, связанных с искомым функциональной зависимостью. Известны устройства для измерения внутреннего диаметра изделия с применением обкатных роликов [патент РФ на изобретение N 2172469; устройство БВ 4274-04 для измерения внутренних диаметров в диапазоне 350÷16500 мм ТД « Прибор» г.Смоленск, а\я 5;]
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 внутреннего 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.
Однако данным устройством невозможно измерять отверстия внутренних диаметров.
Предлагаемая полезная модель направлена на обеспечение возможности измерения внутренних диаметров.
Для решения этой задачи в устройстве для измерения больших внутренних 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, нижняя
плоскость которого параллельна верхней базовой плоскости останавливаемого в измеряемое отверстие таким образом, чтобы он контактировал со стенками измеряемого отверстия ребрами нижней плоскости, обращенными к измеряемой поверхности и параллельными оси измеряемого отверстия.
В торцевой плоскости основания выполнены направляющие, плоскость симметрии которых перпендикулярна оси измеряемого отверстия и параллельна базовой плоскости и устройство снабжено двумя удлинительными штангами, устанавливаемые с возможностью перемещения в направляющих основания и фиксации их положения симметрично плоскости, проходящей через ось измеряемого отверстия и ось отверстия в основании.
В отверстии основания расположен ограничительный упор хода подвижного штока ИЛП, а на базовой плоскости основания расположены указатели горизонтального и вертикального положения устройства относительно измеряемого отверстия.
Предлагаемая полезная модель устройства для измерения внутренних диаметров представлена на чертежах, где:
На фиг.1 приведен принцип измерения отверстия устройством с фиксированной длиной основания L и приведены размеры, используемые в формулах.
На фиг.2 показана комплексная конструкция устройства с бесступенчатым регулированием длины основания L, ограничительным упором хода подвижного штока ИЛП, при измерении высоты h, и указателями горизонтального и вертикального положения на измеряемом объекте.
На фиг.3 - вид А по фиг.2.
На фиг.4- вид В по фиг.2
На фиг.5-конструкция упора хода подвижного штока ИЛП.
На фиг.6 - схема геометрического представления измерения одного и того же внутреннего диаметра устройствами с различными длинами основания L.
Устройство содержит основание 1, ИЛП 2, ограничительный упор хода подвижного штока ИЛП 3, указатель горизонтального положения устройства 4, указатель вертикального положения устройства 5.
Основание 1 выполнено в виде прямоугольного параллелепипеда определенной длины и высоты с верхней базовой плоскостью Б, нижней плоскостью С, параллельной базовой плоскости Б, и направляющего отверстия 6 для ИЛП, расположенного в плоскости симметрии основания. В процессе измерения, основание 1 контактирует со стенками измеряемого отверстия А ребрами 7, параллельными оси измеряемого отверстия, являющиеся результатом пересечения плоскостей Д и С основания 1.
ИЛП 2 (табл.1) имеют конструкции существующих стандартных устройств, как правило, с подвижным измерительным штоком 8, имеют цифровой отсчет 9, и выход на периферийное счетно-решающее устройство, которое может быть вне или внутри самого измерителя.
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 ИЛП может непосредственно контактировать с поверхностью измеряемого отверстия (фиг.1), а может контактировать с торцевой плоскостью Е ограничительного упора 3.(фиг.2), цилиндрическая часть которого 10 базируется в части отверстия 6, а регулируемая на резьбе часть 11 своей вершиной контактирует с поверхностью измеряемого отверстия А. При этом, настроенная с необходимой точностью общая высота упора Нуп. фиксируется гайкой 12, а положение упора в отверстии 6 фиксируется винтом 13. 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 Н (фиг.1, фиг.2), (поз.4 и 5 табл.1).
Таблица 1.
N п/п
Измерит. Средство.
Дискретность, мм g
Диапазон Из-я, мм
Возможность авт-ого расчета диам. измерителем.
1
Штангенцирк. С нониусным отсчетом
0,1
0-125
Отсутствует
2
Штангенциркуль Ф-мы Теза
0,01
0-125 0-150
Отсутствует
3
Лин.датчик DIGICO-1 (Teзa)
0,001
0-60
Имеется
4
Лин.датчик DIGIСО-2 (Теза)
0,001
0-30
Имеется
5
Лин. датчик DIGITAL60 (Teзa)
0,0001
0-10
Отсутствует
В комплексной конструкции устройства(фиг.2), в торцевых плоскостях D' основания 1, выполнены направляющие 14 по которым в обе стороны от оси отверстия 6 перемещаются удлинительные штанги 15 с размерной шкалой 16. Окончательно настроенное положение штанг, симметричное оси отверстия 6, фиксируется винтами 17. Штанги 15 контактируют с поверхностью измеряемого отверстия А ребрами 18, получаемые от пересечения плоскостей Ж и Ш и параллельны оси измеряемого отверстия
Принцип измерения внутреннего диаметра по предлагаемому устройству поясняется фиг.1. Прямоугольный параллелепипед 1, длиной L вставленный в окружность А с радиусом R контактирует с ней ребрами 7, параллельными оси измеряемого отверстия, которые в точках А и С, образуют хорду АС. Подвижный измерительный шток 8, ИЛП 2, проходящий через отверстие 6 основания 1 (т.В) контактирует с измеряемым отверстием А в т.К, образуя с т.В высоту h=BK.
Из прямоугольного треугольника ОАВ:
После преобразований получим квадратное уравнение:
Из уравнения (2), получим:
Формула (3) предназначена для определения min. и max. расчетных, (теоретических) значений высот h при min. и max. чистовых размерах измеряемого диаметра(D), при выбранной длине основания L.
С другой стороны, для практического определения текущих значений диаметров по формуле (4) от Dзаг.(заготовки) до Dok (окончательного контура), например, при многопроходной черновой обработке предусмотрены нижеприведенные формулы определения высоты h:
При этом, формула 5 предназначена для расчетов значения h без упора 3, а формула 6 с упором.
Для всех вышеприведенных формул:
L(Lx.) - длина нижней плоскости основания, равная длине хорде измеряемого отверстия, мм;
h(hx.) - высота, измеренная от точки контакта наконечника подвижного штока ИЛП, или вершины упора, проходящей через центр измеряемого отверстия и центр отверстия в основании, до нижней плоскости основания-хорды измеряемого отверстия, мм;
R, Д - соответственно радиус и диаметр измеряемого отверстия, мм; Rзаг. - радиус отверстия заготовки, мм;
Н - высота, измеренная от базовой плоскости основания до точки контакта наконечника подвижного штока ИЛП, или вершины упора, с поверхностью измеряемого отверстия (индицируется на мониторе ИЛП), мм;
С - высота основания от линии нижней плоскости до базовой плоскости, мм;
Нуп. - высота ограничительного упора хода подвижного штока ИЛП, мм;
m - высота, измеренная от базовой плоскости до точки контакта вершины подвижного штока ИЛП с торцевой плоскостью ограничительного упора, мм;
В - длина основания в комплексной конструкции устройства, мм;
М - длина вылета удлинительных штанг, относительно торцевых плоскостей Д′ основания 1 (фиг.2), мм;
Анализируя параметры формулы (4) можно сделать вывод, что при окончательно выбранном параметре L косвенным признаком получения требуемого размера внутреннего диаметра (D) в обрабатываемом и измеряемом на станке отверстия детали является достижение расчетного значения высоты h или измеренного значения высоты Н.
Для наглядного представления возможностей устройства в таблице 3 представлены примеры выбора значений высот h, дискретности «g» ИЛП при значениях ряда длин L основания: 350 мм, 550 мм, 750 мм, 1000 мм, 1500 мм. Данным набором возможно измерение внутренних диаметров отверстий в диапазоне 500÷25000 мм с допусками на измерение в пределах 1÷11 классов точности, приведенных в работе [«Справочник контролера машиностроительных заводов под редакцией Якушева А.И. M. M. Машгиз, 1963 г.»].
Пример выбора и работы с предлагаемым устройством.
Необходимо обработать и измерить на большом карусельном станке деталь с внутренним диаметром 10000А1 (+0,180) мм - 1-ый класс точности (столбец 5, строка 5, табл.3).
Этап1. По формуле (3) определяем значения высот h при минимальных и максимальных значениях внутреннего диаметра при длине L, равной 750 мм (табл.2).
Этап 2. Выбираем значения h в зависимости от значений разрядов точности (g) ИЛП, имеющихся в наличии на предприятии, например, на предприятии используется линейный датчик DIGITAL 60, фирмы Теза (поз.5, табл.1), с g=0,0001 мм. Тогда значение h выбираем до 4-ого знака, после запятой:
hmin.(Dmin.)=14,0823;
hmax.(Dmax.)=14,0820;
Для ИЛП с g=0,1; g=0,01; g=0,001; значения h выбираются соответственно до одного, двух, трех знаков, после запятой.
Таблица 2
D мм (A i) Допуск, мм
Lмм=0.25L<sup>2</sup>=G (кг.)=
350306250,56
550756250,880
7501406251,4
10002500001,6
15005625002,4
N Стрки
1
2
3
4
5
6
7
8
500 мм А1=+0,045
hмм(Дмин)=hмм(Дмак)=g=Дg=
71,464271,45520,00900,05
1
1000А1 (+0,055)
hмм(Дмин)=hмм(Дмак)=g=Дg=
31,625131,62320,00190.002
82,4176 82,4122 0,00540,001
169,2810 169,2670 0,01400,0003
2
2600А1 (+0,100)
hмм(Дмин)=hмм(Дмак)=g=Дg=
11,832611,83220,00040,025
29,4194 29,4182 0,00120,008
55,261055,25880,0022
3
5000А1 (+0,120)
hмм(Дмин)=hмм(Дмак)=g=Дg=
6,13256,13230,00020,06
15,1710 15,1706 0,00040,03
28,285028,28430,00070,017
50,510250,50900,00120,01
115,1519 115,1490 0,00290,0041
4
10000А1 (+0,180)
hмм(Дмин)=hмм(Дмак)=g=Дg=
3,06343,06330,0001
7,56827,56800,0002
14,082314,08200,00030,06
25,062825,06230,00050,036
56,570056,56890,00110,016
5
10000А2 (+0,3)
hмм(Дмин)=hмм(Дмак)=g=Дg=
25,062825,06200,00080,0375
56,570056,56830,00170,017
6
10000А4 (+1,4)
hмм(Дмин)=hмм(Дмак)=g=Дg=
25,062825,05920,00360,038
56,570056,56200,00800,0175
7
10000А8 (+12,0)
hмм(Дмин)=hмм(Дмак)=g=Дg=
25,062825,03260,03020,039
56,570056,50140,06860,017
8
15000А3 (+1,0)
hмм(Дмин)=hмм(Дмак)=g=Дg=
9,38089,38020,00060,166
16,685216,68410,00110,09
37,594237,59170,00250,04
9
25000А3 (+1,6)
hмм(Дмин)=hмм(Дмак)=g=Дg=
10,004010,00330,00070,228
22,520222,51880,00140,11
10
Этап 3. Определяем разброс значений h (g′), при которых значения диаметра находятся в поле допуска:
g′=(hmin.-hmax.)=14,0823-14,0820=3;
Учитывая, что в измерительной технике, при оценке точности какого-то измерительного средства допустим разброс его показаний в пределах ± одной дискреты, т.е получаем g′ тaкжe=3(+1; 0; -1;);Для надежности измерения принимаем решение о выборе большей длины основания устройства- берем L=1500 мм. В данном примере применение другого ИЛП, с другими значениями g от 0,1 до 0,001 невозможно: во всех случаях значение g′=0.
Этап 4. Аналогично определяем значения h для L=1500 мм (строка 5, столбец 7, табл.2).
h min.(Dmin)=56,5700
h max.(Dmax)=56,5689
Для новых значений h min. и h max. определяем разброс показаний h: g′=11. Полученный возможный разброс значений высот g′=11, равный 11, вполне достаточен для проведения стабильного измерения диаметра примера.
2
Этап 5. По формуле (4):D=0,25L/h+h определяем промежуточные значения диаметров для найденных значений hmin.-hmax. (табл.3).
Этап 6. Назначаем окончательные параметры устройства для измерения диаметра D=10000(+0,180)мм.
Нужно взять параллелепипед с длиной основания L=1500 мм и ИЛП с g=0,0001; При измерении мы должны получить значения высот h=56,5690÷56,5699 или значения Н=66,5690÷66,5699 (при значении С=10 мм), соответствующие получению значений диаметра в пределах допуска.
Измерение производить с применением высоты ограничительного упора для подвижного штока ИЛП, настроенного на размер, например, Нуп.=50 мм.
В этом случае размер m должен изменяться в пределах 6,5690÷6,5699 мм, т.е. в пределах возможности своего хода, равного 10 мм: выбран ИЛП (поз.5, табл.1).
Таблица 3
Значение h, мм.
Размер Диаметра D, мм.
Состояние диаметра
Значение h, мм.
Размер Диаметра D, мм.
Состояние диаметра
56,5688
10000,212
Брак
56,5695
10000,090
В допуске
56,5689
10000,195
Брак
56,5696
10000,072
В допуске
56,5690
10000,177
В допуске
56,5697
10000,055
В допуске
56,5691
10000,160
В допуске
56,5698
10000,037
В допуске
56,5692
10000,142
В допуске
56,5699
10000,020
В допуске
56,5693
10000,125
В допуске
56,5670
10000,527
Брак
56,5694
10000,107
В допуске
56,5671
10000,509
Брак
Этап 7. Покажем точность выбранного нами устройства, действующую только в пределах размеров допуска, как изменение размера измеряемого диаметра (Dg) при изменении показания измерительного средства на одну дискрету.
Dg=p: g′=0,180:10=0,018, где:
р - допуск на обработку и измерение (+0,180 мм).
g′=10 - количество различных значений h, при которых значения измеряемого диаметра находятся в пределах допуска (табл.3).
Вывод: При увеличении длины основания L с 750 мм до 1500 мм точность ycтpoйcтвa(Dg) возросла с 0,06 мм до 0,018 мм, т.е в 3 раза. При L=750 мм, значение Dg=0,180:3=0,06 мм.
На фиг.5 приведена иллюстрация возможности применения при измерении одного и того же диаметра различных длин основания L, что можно использовать для проверочного уточнении размера какого то диаметра.
Дополнительные примечания к рассмотренной методике:
1. Для измерения внутренних диаметров с классами точности А4÷А8 возможно применение ИЛП со значениями g=0,001 и g=0,01 (строки 7,8 столбец 7, табл.3).
2. Для измерения диаметров со значениями высот h, большими, чем допускает ход ИЛП необходимо применение ограничительного упора ИЛП (фиг.4).
3. В табл.3 указан вес пластин-параллелепипедов (G, кг.) рассчитанный при толщине 10 мм и ширине 20 мм. Из таблицы видно, что даже при L=1500 мм, вес устройства (G) составляет 2,4 кг, что несравнимо меньше, чем у существующих устройств.
4. Необходимо отметить, что в отличии от рассмотренной методике с применением фиксированных длин L, при использовании устройства с бесступенчатым регулирования длин L, в соответствии с фиг.2, появляется возможность выбора оптимального значения L и соответствующего ему значения h, что позволяет рассчитать и применять устройства для измерения практически любых диаметров отверстий, как по габаритным, так и по точностным характеристикам с использованием доступных, например, по цене ИЛП. В таблице 4 показаны варианты настройки устройства для измерения отверстия диаметра D=800А3(+0,17)мм, с различными длинами основания L(350, 600), с различными дискретами ИЛП (0,01; 0,001; 0,0001). При этом настройка длины L производится настройкой длины штанги 14 с помощью двухстороннего бесступенчатого регулирования размера М, при одном значении длины основания В, равном 350 мм.
Таблица 4.
D(A)
В мм М мм
L мм
h(Dmin) мм
h(Dmax) мм
разброс h (g′)
gИЛП
ИЛП по Табл. 1
800А3 (+0,17)
В=350 М=0
350
40,3126
40,3031
0,0095 0,009
0,0001 0,001
(поз.5) (поз.3, 4
В=350 М=150
600
135,4248
135,3813
0,04
0,01
(поз.).
Варианты использования предлагаемого устройства для измерения диаметра отверстия в процессе 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 диаметра по формулам(5) или (6), по формуле(4) определяет значение диаметра (D), сравнивает это значение с требуемым, назначает глубину резания следующего прохода, откладывает это значение по нониусу станка, производит обработку отверстия, вновь замеряет значение H, вновь рассчитывает значения h и D и так далее, до получения значения размера окончательного диаметра. Достоверность полученного диаметра подтверждается получением ИЛП ранее определенных косвенных значений высот h или 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 ИЛП значения Н или m далее по за программируемым формулам (5), (6), (4) рассчитываются и индицируются на том же мониторе ИЛП, уже как внутренний 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 1 мин.
Для примера этот же процесс измерения с применением различных обкатных устройств займет не менее получаса. Предлагаемое устройство, имея небольшие габаритные размеры и незначительный вес по сравнению с известными измерительными средствами аналогичного назначения, обладает широтой диапазона измеряемых диаметров с высокой точностью их измерения. Простата конструктивного решения и высокие эксплуатационные характеристики устройства обеспечат ему широкое применение в различных отраслях промышленности.