ВИБРОКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для измерения внутренних и наружных диаметров цилиндрических токопроводящих деталей.
Известно виброконтактное измерительное устройство (см. А.С. СССР №947627, G01B 7/00 G01B 7/28, 15.09.1980), содержащее корпус, вибратор с измерительным наконечником, выполненный в виде двух рамок, охватывающих электромагнит возбуждения колебаний и связанных с корпусом упругими подвесками, причем одна из рамок жестко связана с измерительным наконечником, а вторая - с узлом измерений амплитуды колебаний вибратора, состоящим из катушки индуктивности и постоянного магнита.
Недостатком данного устройства является то, что при измерении размера детали на выходе узла измерения колебаний формируется синусоидальный электрический сигнал постоянной частоты, амплитудное значение которого определяется вблизи максимума сигнала, и, в силу погрешности узла измерений амплитуды колебаний вибратора, вносится существенная погрешность измерения, тем самым снижая его точность.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является стержневой виброгенераторный преобразователь (см. Патент РФ №2552391, G01B 7/12, 10.06.2015), содержащий корпус, основание, возбудитель колебаний, виброгенератор, измерительный стержень, прикрепленный к корпусу посредством упругих элементов, выполненных S-образными в двух или четырех направлениях в двух зонах креплениях и жестко связанный с якорем виброгенератора.
Недостатком данного устройства является то, что при проведении измерений размеров обрабатываемых деталей измерительный стержень контактирует с измеряемой поверхностью, и в зависимости от изменения размеров деталей изменяется амплитуда колебаний измерительного стержня и якоря виброгенератора, при этом в катушке виброгенератора индуцируется ЭДС, пропорциональная амплитуде колебаний, что регистрируется любым отсчетным устройством, однако данное амплитудное значение определяется вблизи максимума сигнала, и в силу погрешности виброгенератора и отсчетного устройства вносится существенная погрешность измерения, тем самым снижая его точность.
Таким образом, в известных устройствах диаметр измеряется по амплитуде колебаний вибратора, что ограничивает точность измерения этими устройствами.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание предлагаемого устройства, впервые позволяющего измерять диаметр цилиндрических токопроводящих деталей по изменяемой в зависимости от измеряемого диаметра частоте автоколебаний якоря виброгенератора и закрепленного нем измерительного стержня.
Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении полезной модели, является повышение точности измерения диаметров цилиндрических токопроводящих деталей.
Указанный технический результат достигается тем, что в виброконтактном измерительном устройстве, содержащем корпус, основание, виброгенератор, возбудитель колебаний, измерительный стержень, жестко закрепленный на якоре виброгенератора, который связан с корпусом посредством упругого элемента, и отсчетное устройство, виброгенератор выполнен в виде закрепленного в основании постоянного кольцевого магнита, внутри которого расположена с возможностью перемещения обмотка якоря с закрепленным на нем диэлектрическим штоком, жестко связанным с установленным перпендикулярно его оси измерительным стержнем, выполненным токопроводящим и соединенным с входом возбудителя колебаний, выполненным в виде счетного триггера, выходы которого соединены с входами вычитающего операционного усилителя, который через потенциометр, инвертирующий интегратор и усилитель мощности соединен с обмоткой якоря виброгенератора, причем общий провод счетного триггера соединен с измеряемой деталью, а его инверсный выход подключен к отсчетному устройству, выполненному в виде цифрового частотомера.
-7
Введение в устройство счетного триггера, общий провод которого соединен с измеряемой деталью, обеспечивает формирование на его выходах сигналов противоположных уровней, когда на одном выходе возникает единичный сигнал, а на другом нулевой. Эти сигналы вычитаются с помощью вычитающего операционного усилителя, в результате чего на выходе вычитателя образуется знакопеременное напряжение прямоугольной формы, что создает условия для реверсивного движения якоря виброгенератора и закрепленного на нем диэлектрического штока и с измерительным стержнем. Знакопеременное напряжение прямоугольной формы подается через потенциометр на интегратор, причем потенциометр позволяет регулировать величину входного сигнала интегратора, а также осуществлять калибровку устройства по образцовой детали. При отрицательном выходном напряжении вычитателя, на выходе инвертирующего интегратора формируется линейно нарастающее напряжение, которое через усилитель мощности подается обмотку якоря виброгенератора, что приводит якорь и закрепленный на нем диэлектрический шток с измерительным стержнем в движение в прямом направлении под действием силы Ампера до касания одной из поверхностей отверстия измеряемой детали. В момент касания токопроводящим измерительным стрежнем поверхности детали триггер переключается, что вызывает положительное напряжение на выходе вычитателя, в результате чего на выходе инвертирующего интегратора формируется линейно убывающее напряжение, которое через усилитель мощности подается обмотку якоря виброгенератора, что вызывает движение якоря и закрепленного на нем диэлектрического штока с измерительным стержнем в обратном направлении под действием силы Ампера до касания противоположной поверхности отверстия измеряемой детали, что переключает триггер в противоположное состояние, далее цикл повторяется, тем самым создаются автоколебания якоря и измерительного стержня, ограниченные диаметром измеряемой детали. С уменьшением диаметра детали при постоянной скорости движения измерительного стержня уменьшается время его перемещения, тем самым повышается частота переключений триггера, а, следовательно, частота возникающих при этом автоколебаний якоря и измерительного стержня. С увеличением диаметра детали при постоянной скорости движения измерительного стержня увеличивается время его перемещения, тем самым уменьшается частота переключений триггера, а, следовательно, частота возникающих при этом автоколебаний якоря и измерительного стержня, которая измеряется цифровым частотомером, соединенным с инверсным выходом счетного триггера, что позволяет измерять величину диаметра детали с высокой точностью, свойственной цифровым средствам контроля. Например, относительная погрешность цифрового частотомера типа Ч3-33 составляет 1.5·10.
i
i+1
i
На фиг. 1 представлена принципиальная схема виброконтактного измерительного устройства. На фиг. 2 - временные диаграммы работы виброконтактного измерительного устройства при измерении диаметра отверстия D: а - сигнал на входе счетного триггера; б - сигналы на выходах счетного триггера; в - сигнал на выходе вычитателя; г - сигнал на выходе интегратора; д - график колебательного движения измерительного стержня; На фиг. 3 - То же при измерении диаметра отверстия D<D. На фиг. 4 - принципиальная схема измерительного стержня для измерения внутренних диаметров токопроводящих деталей. На фиг. 5 - То же для измерения наружных диаметров токопроводящих деталей.
Устройство содержит (фиг. 1) корпус 1, основание 2, виброгенератор 3, возбудитель колебаний 4, измерительный стержень 5, жестко закрепленный на якоре 6 виброгенератора, который связан с корпусом посредством упругого элемента 7, и отсчетное устройство 8, причем виброгенератор 3 выполнен в виде закрепленного в основании 2 постоянного кольцевого магнита 9, внутри которого расположена с возможностью перемещения обмотка 10 якоря 6 с закрепленным на нем диэлектрическим штоком 11, жестко связанным с установленным перпендикулярно его оси измерительным стержнем 5, выполненным токопроводящим и соединенным с входом возбудителя колебаний 4, выполненным в виде счетного триггера 12, выходы которого соединены с входами вычитающего операционного усилителя 13, который через потенциометр 14, инвертирующий интегратор 15 и усилитель мощности 16 соединен с обмоткой 10 якоря 6 виброгенератора, причем общий провод счетного триггера 12 соединен с измеряемой деталью 17, а его инверсный выход подключен к отсчетному устройству 8, выполненному в виде цифрового частотомера.
п
Для измерения диаметра детали 17 в нужном сечении корпус 1 с виброгенератором 3 и измерительным стержнем 5 перемещается вдоль оси измеряемого отверстия, при этом виброгенератор 3 выполнен в виде закрепленного в основании 2 постоянного кольцевого магнита 9, внутри которого расположена с возможностью перемещения обмотка 10 якоря 6 с закрепленным на нем диэлектрическим штоком 11, жестко связанным с установленным перпендикулярно его оси измерительным стержнем 5, выполненным токопроводящим и соединенным с входом возбудителя колебаний 4, содержащим счетный триггер 12, на который подается напряжение питания U, обеспечивающее формирование на его выходах сигналов противоположных уровней, когда на одном выходе возникает единичный сигнал, а на другом нулевой. Эти сигналы вычитаются с помощью вычитающего операционного усилителя 13, в результате чего на выходе вычитателя образуется знакопеременное напряжение прямоугольной формы, что создает условия для реверсивного движения якоря 6 виброгенератора и закрепленного на нем диэлектрического штока 11 и с измерительным стержнем 5. Знакопеременное напряжение прямоугольной формы подается через потенциометр 14 на инвертирующий интегратор 15, причем потенциометр позволяет регулировать величину входного сигнала интегратора, а также осуществлять калибровку устройства по образцовой детали. При отрицательном выходном напряжении вычитателя, на выходе инвертирующего интегратора формируется линейно нарастающее напряжение, которое через усилитель мощности 16 подается обмотку 10 якоря 6 виброгенератора 3, что приводит якорь и закрепленный на нем диэлектрический шток 11 с измерительным стержнем 5 в движение в прямом направлении под действием силы Ампера до касания одной из поверхностей отверстия измеряемой детали 17. В момент касания токопроводящим измерительным стрежнем поверхности детали триггер 12 переключается, что вызывает положительное напряжение на выходе вычитателя 13, в результате чего на выходе инвертирующего интегратора 15 формируется линейно убывающее напряжение, которое через усилитель мощности 16 подается обмотку 10 якоря 6 виброгенератора 3, что приводит якорь и закрепленный на нем диэлектрический шток 11 с измерительным стержнем 5 в движение в обратном направлении под действием силы Ампера до касания противоположной поверхности отверстия измеряемой детали 17, что переключает триггер 12 в противоположное состояние, далее цикл повторяется, тем самым создаются автоколебания якоря и измерительного стержня, ограниченные диаметром измеряемой детали. Узел измерения параметров колебаний 8, выполненный в виде цифрового частотомера, соединенного с инверсным выходом счетного триггера 12, служит для измерения частоты автоколебаний виброгенератора 3, что позволит измерять величину измеряемого диаметра детали 17, обратно пропорциональную частоте автоколебаний виброгенератора 3.
Устройство работает следующим образом.
i
п
2
3
4
5
4
5
i
Для измерения диаметра D отверстия детали в нужном сечении измерительный стрежень (фиг. 4) вводится в измеряемое отверстие детали, после чего на триггер 12 подается напряжение питания U, обеспечивающее формирование на его выходах сигналов противоположных уровней (фиг. 2, б), когда на одном выходе, например, прямом, возникает единичный сигнал U, а на другом, инверсном, нулевой сигнал U. Эти сигналы вычитаются с помощью вычитающего операционного усилителя 13, в результате чего на выходе вычитателя образуется знакопеременное напряжение прямоугольной формы U (фиг. 2, в), что создает условия для реверсивного движения якоря 6 виброгенератора и закрепленного на нем диэлектрического штока 11 с измерительным стержнем 5. Сигнал с выхода вычитателя подается через потенциометр 14 на вход инвертирующего интегратора 15, причем потенциометр позволяет регулировать величину входного сигнала интегратора, а также осуществлять калибровку устройства по образцовой детали. При отрицательном выходном напряжении вычитателя, на выходе инвертирующего интегратора формируется линейно нарастающее напряжение U (фиг. 2, г), которое через усилитель мощности 16 поступает на обмотку 10 якоря 6 виброгенератора 3, что приводит якорь и закрепленный на нем диэлектрический шток 11 с измерительным стержнем 5 в движение в прямом направлении (фиг. 2, д) под действием силы Ампера до касания одной из поверхностей отверстия измеряемой детали 17. В момент касания токопроводящим измерительным стрежнем поверхности детали триггер 12 переключается (фиг. 2, а, б), что вызывает положительное напряжение U на выходе вычитателя 13 (фиг. 2, в), которое поступает на вход инвертирующего интегратора 75, результате чего на его выходе формируется линейно убывающее напряжение U (фиг. 2, г), которое через усилитель мощности 16 подается обмотку 10 якоря 6 виброгенератора 3, что приводит якорь и закрепленный на нем диэлектрический шток 11 с измерительным стержнем 5 в движение в обратном направлении (фиг. 2, д) под действием силы Ампера до касания противоположной поверхности отверстия измеряемой детали 17. Касание измерительным стрежнем поверхности отверстия переключает триггер 12 в противоположное состояние (фиг. 2, а, б), далее цикл повторяется, тем самым создаются автоколебания якоря и измерительного стержня s(t) с периодом T (фиг. 2, д), ограниченные диаметром измеряемой детали. С уменьшением диаметра детали при постоянной скорости движения измерительного стержня уменьшается время его перемещения, тем самым повышается частота переключений триггера, а, следовательно, частота возникающих при этом автоколебаний якоря и измерительного стержня (фиг. 3). С увеличением диаметра детали при постоянной скорости движения измерительного стержня увеличивается время его перемещения, тем самым уменьшается частота переключений триггера, а, следовательно, частота возникающих при этом автоколебаний якоря и измерительного стержня (фиг. 2), которая измеряется цифровым частотомером, соединенным с инверсным выходом счетного триггера, при этом измерение этой частоты позволит измерять обратно пропорциональную величину диаметра детали 17, с высокой точностью.
Для измерения наружного диаметра используется раздвоенный шариковый наконечник, изображенный на фиг. 5, который расположен в плоскости измеряемого сечения.
Заявляемая полезная модель позволит повысить точность измерения диаметра цилиндрических токопроводящих изделий.