ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Полезная модель относится к конструкции измерительной техники в области машиностроения, в частности используется для измерения геометрических параметров формы реальной поверхности крупногабаритных деталей - тел вращения в процессе их эксплуатации.
Известно устройство для измерения геометрических параметров формы крупногабаритных деталей вращения (Патент RU на полезную модель №66511 U1, G01B 5/207 (2006.01) опубл. 10.09.2007, бюл. №25), которое содержит раму, связанную с механизмом поперечного и продольного перемещения. Рама оснащена перемещающейся внутри нее штангой и датчиком линейных перемещений, наконечник которого жестко связан со штангой. Штанга шарнирно соединена с корпусом, несущим две опоры и измерительный диск. На корпусе размещен датчик угловых перемещений, контактирующий со штангой. Каждая из двух опор, установленных на корпусе, выполнена в виде шарнирно связанного с одним из его концов основания, с установленными в нем двумя вращающимися роликами, жестко связанными между собой. Причем на основании посередине между роликами установлен индуктивный датчик расстояния. Корпус устройства снабжен дополнительными датчиками угловых перемещений, закрепленными на нем с возможностью постоянного контакта с основанием опор. Измерительный диск закреплен на жестком рычаге, установленном соосно со штангой с возможностью перемещения в направляющих, выполненных на корпусе. Корпус несет дополнительный датчик линейных перемещений, взаимодействующий с рычагом. Вне корпуса расположены датчик количества оборотов измеряемого объекта и блок вычисления и хранения информации, соединенный со всеми датчиками.
Недостатком данного устройства является невозможность точного определения координат точки контакта измерительного диска с измеряемой поверхностью детали, что приводит к низкой точности определения геометрической формы измеряемой поверхности. Причина указанного недостатка в том, что конструкция измерительного диска не обеспечивает постоянного положения точки контакта с измеряемой поверхностью детали при изменении ее радиуса кривизны, т.к. при этом происходит обкатывание образующей измеряемой поверхности по наружной поверхности диска.
Прототипом предлагаемой полезной модели является измерительное устройство для определения формы поверхностей крупногабаритных деталей-тел вращения (Патент RU на полезную модель №161400 U1, G01B 5/20 (2006.01) опублик.: 20.04.2016 бюл. №16), которое содержит жестко связанную с механизмом поперечного перемещения раму. В раме с возможностью перемещения в направляющих установлена штанга, а также жестко закреплен датчик линейных перемещений, наконечник которого жестко связан со штангой. Со штангой шарнирно соединен корпус, на котором жестко закреплен датчик угловых перемещений, контактирующий со штангой. На противоположных концах корпуса шарнирно установлены две базовые опоры. Каждая базовая опора выполнена в виде основания с шарнирно смонтированными в нем двумя одинаковыми роликами. С возможностью постоянного контакта с основаниями базовых опор в корпусе жестко установлены два датчика угловых перемещений. Также на корпусе между базовыми опорами шарнирно закреплена качалка и жестко установлен датчик угловых перемещений, контактирующий с основанием качалки. Внутри качалки с возможностью перемещения в направляющих смонтирован шток. Кроме того в качалке жестко закреплен датчик линейных перемещений, наконечник которого жестко связан со штоком. На штоке жестко смонтирована измерительная опора, представляющая собой основание, на котором шарнирно закреплены два одинаковых ролика. В основании измерительной опоры жестко установлены два датчика угловых перемещений имеющих контакт с роликами.
С существенными признаками полезной модели совпадает следующая совокупность признаков прототипа: жестко связанная с механизмом поперечного перемещения рама, внутри которой с возможностью перемещения в направляющих установлена штанга и жестко закреплен датчик линейных перемещений, со штангой шарнирно соединен корпус, на котором жестко закреплен датчик угловых перемещений.
Недостатком прототипа является низкая точность определения координат точек измеряемой поверхности посредством измерительной и базовых опор, а также низкая надежность и точность определения длины контура сечения на основе вращения роликов измерительной опоры. Указанные недостатки ведут к низкой точности определения формы и геометрических параметров измеряемой поверхности. Причина указанных недостатков в том, что конструкция измерительной и базовых опор не обеспечивает постоянства расстояния от оснований опор до измеряемой поверхности при изменении радиуса ее кривизны, а также из-за наличия погрешностей в механических частях опор и изменяющихся условий контакта роликов измерительной опоры с поверхностью, что существенно снижает точность расчетов.
Полезная модель направлена на повышение точности определения геометрических параметров формы измеряемых поверхностей.
Это достигается тем, что измерительное устройство для определения геометрических параметров формы поверхностей крупногабаритных деталей содержит жестко связанную с механизмом поперечного перемещения раму. Внутри рамы жестко закреплен датчик линейных перемещений. Также с возможностью перемещения в направляющих внутри рамы установлена штанга. Со штангой шарнирно соединен корпус. На корпусе жестко закреплен датчик угловых перемещений. В предложенном решении на противоположных концах корпуса шарнирно закреплены по одному опорному ролику и по одному жестко установленному лазерному триангуляционному датчику расстояния. Также на корпусе между оптическими триангуляционными датчиками расстояния жестко смонтированы оптический датчик пути и лазерный триангуляционный датчик расстояния.
Сущность полезной модели поясняется графическим изображением, где на фиг. 1 представлена схема измерительного устройства для определения геометрических параметров формы поверхностей крупногабаритных деталей.
Предлагаемое техническое решение содержит корпус 1, на противоположных концах которого шарнирно закреплены, например, при помощи оси установленной на подшипники, по одному опорному ролику 2.
На противоположных концах корпуса 1 жестко установлены, например, при помощи резьбовых соединений, по одному лазерному триангуляционному датчику расстояния 3, например, типа ODS 72,5.
Между лазерными триангуляционными датчиками расстояния 3 на корпусе 1 смонтированы, например, при помощи резьбовых соединений, лазерный триангуляционный датчик расстояния 4, например, типа ODS 120 и оптический датчик пути 5, например, типа ИСД-3.
Корпус 1 шарнирно соединен со штангой 6, например, при помощи оси установленной на подшипники. Кроме того на корпусе 1 жестко закреплен, например, при помощи резьбового соединения, датчик угловых перемещений 7, например, типа ЛИР-ДА158А-5. А его наконечник жестко связан со штангой 6, например, при помощи штифта.
Штанга 6 установлена с возможностью перемещения в направляющих 8, выполненных внутри рамы 9, например формы призмы. Также внутри рамы 9 жестко закреплен, например, при помощи резьбового соединения, датчик линейных перемещений 10, например, типа ЛИР-15. Его наконечник жестко соединен со штангой 6, например, при помощи шплинта. Штанга 6 внутри рамы 9 упирается в пружину сжатия 11, установленную, например, в цилиндрический паз рамы 9.
Рама 9 жестко связана с механизмом поперечного перемещения 12. Рама 9 установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющих 13, например, формы «ласточкин хвост», выполненных на остове 14 механизма поперечного перемещения 12. При этом рама 9 жестко связана с приводом 15, например, при помощи резьбовых соединений. Привод 15, например, состоящий из шариковинтовой передачи и сервопривода, жестко закреплен на остове 14 механизма поперечного перемещения 12, например, при помощи резьбовых соединений.
Привод 15 посредством проводов электрически связан с жестко установленным внутри рамы 9, например, при помощи резьбовых соединений, блоком сбора, обработки и хранения информации 16.
Измерительное устройство оснащено датчиком полного оборота 17, например, типа SIEN-M5B-PS-S-L, который производит фиксацию полного оборота детали 18 с измеряемой поверхностью 19. Датчик полного оборота 17 конструктивно не принадлежит измерительному устройству и располагается около произвольно выбранной поверхности детали 18, где нанесена метка, по которой он производит фиксацию полных оборотов. Как и все вышеуказанные датчики, он посредством проводов электрически связан с блоком сбора, обработки и хранения информации 16. Также блок сбора, обработки и хранения информации 16 имеет возможность соединения с ПК, через соответствующие интерфейсы.
Кроме того, на механизме поперечного перемещения 12 жестко закреплено, например, при помощи резьбового соединения, универсальное крепление 20, представляющее собой, например, плиту с пазами. Посредствам универсального крепления 20 измерительное устройство возможно установить, например: на различные стойки (на фиг. 1 не показано), переносные станки (на фиг. 1 не показано) или на специальное устройство продольного перемещения 21. Причем при установке полезной модели на станок или на специальное устройство продольного перемещения 21 их приводы 22 перемещений посредством проводов электрически связываются с блоком сбора, обработки и хранения информации 16.
Монтируется и работает измерительное устройство для определения геометрических параметров формы поверхностей крупногабаритных деталей следующим образом:
Перед началом измерений на торец детали 18 крепится радиальная метка, например, в виде магнита (на фиг. 1 не показана). А датчик полного оборота 17, устанавливается вблизи от поверхности, на которую нанесена метка, так чтобы она пересекала плоскость его срабатывания. Для осуществления процесса измерения необходимо обеспечить относительное перемещение устройства вдоль контура поперечного сечения измеряемой поверхности 19 детали 18, в частности, например, вращение бандажа цементной печи.
Далее измерительное устройство для определения геометрических параметров формы поверхностей крупногабаритных деталей посредством универсального крепления 20, устанавливается, например как показано на фиг. 1, на специальном устройстве продольного перемещения 21. Само специальное устройство продольного перемещения 21 предварительно установлено одним из известных способов, таким образом, чтобы прямая, вдоль которой осуществляется продольное перемещение, была параллельна номинальной оси вращения детали 18, к которой принадлежит измеряемая поверхность 19. Перемещение в продольном направлении в данном случае осуществляется за счет установленного в специальном устройстве продольного перемещения 21 привода 22. Причем связанный с блоком сбора, обработки и хранения информации 16 привод 22 позволяет производить автоматическое управление перемещением измерительного устройства. А наличие универсального крепления 20 позволяет существенно расширить рамки применения измерительного устройства.
После установки измерительного устройства механизм поперечного перемещения 12 за счет привода 15 перемещает по направлению к измеряемой поверхности 19 раму 9 смонтированную в направляющих 13 остова 14. Перемещаясь вместе с рамой 9, штанга 6 и установленный на нее корпус 1 подводится к измеряемой поверхности 19 до контакта с ней опорных роликов 2. За счет возможности перемещения штанги 6 в направляющей 8 и установленной внутри рамы 9 пружины сжатия 11 опорные ролики 2 плотно прилегают к измеряемой поверхности 19. Кроме того в случае больших биений измеряемой поверхности пружина сжатия 11 обеспечит работу устройства без поломок.
Момент полного контакта обоих опорных роликов 2 определяется по наличию соответствующих сигналов от лазерных триангуляционных датчиков расстояния 3 и 4, а также от датчика угловых перемещений 7 и датчика линейных перемещений 10. Причем показания датчика линейных перемещений 10 должны соответствовать заданной величине (минимально необходимая величина входа штанги 6 в раму 9, обеспечивающая за счет пружины сжатия 11 рабочее усилие, прижимающее к измеряемой поверхности 19 корпус 1). При достижении измерительным устройством полного контакта с измеряемой поверхностью 19 механизм поперечного перемещения 12 останавливает перемещение рамы 9. За счет того, что привод 15 электрически, посредством проводов, связан с блоком сбора, обработки и хранения информации 16, механизм поперечного перемещения 12 имеет возможность автоматически управляемого перемещения рамы 9, а также высокоточного определения положения всех элементов измерительного устройства, относительно базовой поверхности на которую устанавливается измерительное устройство.
Далее выполняется процесс измерения параметров формы поверхности в выбранном сечении.
По сигналу от датчика полного оборота 17, блок сбора, обработки и хранения информации 16 считывает данные с датчика угловых перемещений 7 и датчика линейных перемещений 10, и сохраняет эти данные в памяти. Считывание показаний с датчиков 7 и 10 производится один раз для измеряемого сечения и выполняется в момент старта измерений по сигналу от датчика полного оборота 17.
Одновременно блок сбора, обработки и хранения информации 16 считывает данные с лазерных триангуляционных датчиков 3 и 4, сохраняя в памяти для дальнейших расчетов. Применение лазерных триангуляционных датчиков 3 и 4 позволяет производить измерение поверхностей любой формы с высокой точностью.
Параллельно процессу считывания данных со всех датчиков, блок сбора, обработки и хранения информации 16 производит постоянное считывание и обработку данных получаемых от оптического датчика пути 5. Применение оптического датчика пути 5 обеспечивает повышенную точность измерения длины контура сечения измеряемой поверхности 19.
Поступившие данные в блок сбора, обработки и хранения информации 16 записываются и обрабатываются. После вычисления необходимых параметров формы контура сечения поверхности 19, для текущего шага измерения, производится сравнение данных получаемых от оптического датчика пути 5 с расчетным значением длины контура, на которое должно переместится измерительное устройство по поверхности 19. При совпадении получаемых значений с расчетным производится расчет параметров формы измеряемой поверхности 19 уже для нового, следующего шага измерения. Процесс повторяется до полного оборота детали 18, к которой принадлежит измеряемая поверхность 19.
После достижения полного оборота детали 18, измерение формы и геометрических параметров поверхности 19 в заданном сечении прекращается, и при помощи механизма поперечного перемещения 12 измерительное устройство для определения геометрических параметров формы поверхностей крупногабаритных деталей отводится от измеряемой поверхности 19. Далее специальным устройством продольного перемещения 21, за счет привода 22, его переводят в другое положение для измерения следующего сечения. Процесс измерения в каждом последующем сечении аналогичен.
Действия повторяются до тех пор, пока не будет произведено измерение формы и геометрических параметров всей поверхности 19 в необходимом количестве сечений.
По данным от лазерных триангуляционных датчиков расстояния 3 и 4 рассчитываются координаты трех точек измеряемой поверхности 19 в каждом шаге измерения, и по этим координатам определяются форма и геометрические параметры поверхности 19 в данном сечении.
По показаниям датчика угловых перемещений 7 и датчика линейных перемещений 10, а так же данных от приводов 15 и 22 механизмов и устройств перемещений, определяются и рассчитываются координаты всех точек измеряемой поверхности 19 для всех измеренных сечений в единой системе координат.
Показания датчиков поступают в блок сбора, обработки и хранения информации 16, который может быть сопряжен с ЭВМ или управляющей системой станка.
По полученным данным может быть получена цифровая объемная трехмерная модель измеряемой поверхности 19, которая в дальнейшем может использоваться для математического моделирования поведения детали 18 в процессе работы или получения управляющей программы для обработки ее поверхности.
Таким образом измерительное устройство для определения геометрических параметров формы поверхностей крупногабаритных деталей позволяет с высокой точностью измерять геометрические параметры формы поверхностей крупногабаритных деталей в процессе их эксплуатации, а именно, такие параметры как: отклонение профиля продольного сечения, отклонение от круглости поперечных сечений, конусность, бочкообразность, седлообразность, а также контролировать поведение детали, например биение одной поверхности относительно другой, отклонение от прямолинейности оси детали в процессе эксплуатации и т.д. В частности, возможно производить измерения для деталей - тел вращения, опирающихся на два ролика.