ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ - ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ

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 геометрической формы цилиндрической поверхности тела вращения и его поведения в процессе эксплуатации (Патент RU на изобретение №2227268, G01B 5/20, G01B 5/00), содержащее накладной кругломер с самоустанавливающимися опорами, в корпусе которого установлен основной измерительный датчик - датчик биения. Опоры накладного кругломера выполнены в виде дисков и шарнирно закреплены на концах корпуса с возможностью вращения, а оси дисков параллельны оси измеряемого тела. Наконечник основного измерительного датчика соединен с измерителем, выполненным в виде диска, в котором имеется как минимум одно сквозное отверстие, а его ось параллельна осям опор. При вращении отверстие этого диска пересекает зону измерительного оптического датчика пути, жестко соединенного с осью диска. Корпус накладного кругломера крепится с возможностью качания в процессе измерения на штангу, установленную с возможностью осевого перемещения в основании. В корпусе накладного кругломера установлен датчик угловых перемещений, с жестко соединенным со штангой наконечником. Основание выполнено с отверстиями для крепления и отверстием для продольного перемещения штанги. Основание неподвижно соединено с поперечным суппортом станка. При этом вне корпуса расположены датчик количества оборотов измеряемого объекта и блок хранения обработки и мониторинга информации, соединенный со всеми датчиками.
Недостатком данного устройства является невозможность точного измерения координат точек, равноудаленных на измеряемом контуре, что снижает точность определения радиусов аппроксимирующих дуг, с учетом которых далее ведется расчет параметров контура в поперечном сечении.
Прототипом предлагаемой полезной модели является устройство для измерения геометрических параметров формы крупногабаритных деталей вращения (Патент RU на полезную модель №66511 U1, G01B 5/207 (2006.01)), 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.
С существенными признаками полезной модели совпадает следующая совокупность признаков прототипа - жестко связанная с механизмом поперечного перемещения рама. Внутри рамы жестко закреплен датчик линейных перемещений. Также с возможностью перемещения в направляющих внутри рамы установлена штанга. К штанге шарнирно прикреплен корпус. На корпусе размещен датчик угловых перемещений. Кроме того на противоположных концах корпуса шарнирно закреплены две базовые опоры и два жестко установленных датчика угловых перемещений.
Недостатком прототипа 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.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности определения геометрических параметров формы поверхности крупногабаритных деталей тел - вращения за счет повышения точности определения координат точек измеряемой поверхности детали путем обеспечения постоянного положения точки контакта с измеряемой поверхностью детали при изменении ее радиуса кривизны.
Поставленная задача достигается за счет того, что измерительное устройство для определения формы поверхностей крупногабаритных деталей - тел вращения 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. К штанге шарнирно прикреплен корпус. На корпусе размещен датчик угловых перемещений. Кроме того на противоположных концах корпуса шарнирно закреплены две базовые опоры и два жестко установленных датчика угловых перемещений. В предложенном решении на корпусе между базовыми опорами шарнирно закреплена качалка и жестко установлен датчик угловых перемещений. Внутри качалки с возможностью перемещения в направляющих смонтирован шток. Также внутри качалки жестко закреплен датчик линейных перемещений. На штоке жестко установлена измерительная опора. Измерительная опора представляет собой основание, на котором шарнирно закреплены два одинаковых ролика, а также жестко установлены два датчика угловых перемещений.
Сущность полезной модели поясняется графическим изображением, где на фиг. 1 представлена схема измерительного устройства для определения формы поверхностей крупногабаритных деталей - тел вращения. Предлагаемое техническое решение содержит корпус 1, на противоположных концах которого шарнирно, например, при помощи оси, установленной на подшипники, закреплены две базовые опоры 2. Каждая базовая опора 2 состоит из основания 3, на котором шарнирно, например, при помощи подшипников, закреплены два одинаковых ролика 4. Ролики 4 установлены в основании 3 каждой базовой опоры 2, так чтобы их оси были параллельны.
На корпусе 1 в месте крепления каждой базовой опоры 2 жестко, например, при помощи резьбовых соединений, установлены датчики угловых перемещений 5, например, типа ЛИР-158А. Наконечники датчиков угловых перемещений 5 жестко, например, при помощи штифтов, связаны с осями, на которых закреплены базовые опоры 2.
Между базовыми опорами 2 на корпусе 1 шарнирно, например, при помощи оси, установленной на подшипники, закреплена качалка 6. Внутри качалки 6, с возможностью перемещения в выполненных в ней направляющих 7, например, формы призмы, смонтирован шток 8. Также внутри качалки 6 жестко закреплен датчик линейных перемещений 9, например, типа ЛИР-14. Его наконечник жестко, например, при помощи шплинта, соединен со штоком 8. При этом шток 8 внутри качалки 6 упирается в пружину сжатия 10, установленную, например, в цилиндрический паз.
На шток 8 жестко, например, при помощи резьбового соединения, закреплена измерительная опора 11. Измерительная опора 11 представляет собой основание 12, на котором шарнирно, например, при помощи подшипников, закреплены два одинаковых ролика 13. Ролики 13 установлены в основании 12 так, чтобы их оси были параллельны друг другу и осям роликов 4. Также в основание 12 измерительной опоры 11 жестко, например, при помощи резьбового соединения, закреплены два датчика угловых перемещений 14, например, типа ЛИР-158А. Наконечники этих датчиков жестко, например, при помощи штифтов, соединены с роликами 13.
На корпусе 1 в месте крепления качалки 6 жестко, например, при помощи резьбового соединения, установлен датчик угловых перемещений 15, например, типа ЛИР-ДА158А-5. Его наконечник жестко, например, при помощи резьбового соединения, соединен с качалкой 6.
Корпус 1 шарнирно, например, при помощи оси установленной на подшипники, прикреплен к штанге 16. Кроме того на корпусе 1 размещен датчик угловых перемещений 17, например, типа ЛИР-ДА158А-5. Датчик угловых перемещений 17 жестко, например, при помощи резьбового соединения, закреплен на корпусе 1, а его наконечник жестко, например, при помощи штифта, соединен со штангой 16.
Штанга 16 установлена с возможностью перемещения в направляющих 18, например, формы призмы, выполненных внутри рамы 19. Также внутри рамы 19 жестко, например, при помощи резьбового соединения, закреплен датчик линейных перемещений 20, например, типа ЛИР-15. Его наконечник жестко, например, при помощи шплинта, соединен со штангой 16. Штанга 16 внутри рамы 19 упирается в пружину сжатия 21, установленную, например, в цилиндрический паз.
Рама 19 жестко связана с механизмом поперечного перемещения 22. Рама 19 установлена с возможностью возвратно-поступательного перемещения в направляющих 23, например, формы «ласточкин хвост», выполненных на остове 24 механизма поперечного перемещения 22. При этом рама 19 жестко, например, при помощи резьбовых соединений, связана с приводом 25. Привод 25, например, состоящий из шариковинтовой передачи и сервопривода, жестко, например, при помощи резьбовых соединений, закреплен на остове 24 механизма поперечного перемещения 22.
Привод 25 электрически, посредством проводов, связан с жестко установленным внутри рамы 19, например, при помощи резьбовых соединений, блоком сбора, обработки и хранения информации 26.
Предложенное измерительное устройство оснащено датчиком полного оборота 27, например, типа SIEN-M5B-PS-S-L, который производит фиксацию полного оборота детали 28 с измеряемой поверхностью 29. Датчик полного оборота 27 конструктивно не принадлежит измерительному устройству и располагается около произвольно выбранной поверхности детали 28, где нанесена метка, по которой он производит фиксацию полных оборотов. Как и все вышеуказанные датчики, он электрически, посредством проводов, связан с блоком сбора, обработки и хранения информации 26. Также блок сбора, обработки и хранения информации 26 имеет возможность соединения с ПК, через соответствующие интерфейсы.
Кроме того, на механизме поперечного перемещения 22 жестко закреплено, например, при помощи резьбового соединения, универсальное крепление 30, представляющее собой, например, плиту с пазами. Посредствам универсального крепления 30 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 31. Причем при установке полезной модели на станок или на специальное устройство продольного перемещения 31 их приводы перемещений 32 электрически, посредством проводов, связываются с блоком сбора, обработки и хранения информации 26.
Монтируется и работает измерительное устройство для определения формы поверхностей крупногабаритных деталей - тел вращения следующим образом:
Перед началом измерений на торец детали 28 сопряженный с измеряемой поверхностью 29 крепится радиальная метка, например, в виде магнита (на фиг. 1 не показана). А датчик полного оборота 27, устанавливается вблизи от поверхности, на которую нанесена метка, так чтобы она пересекала плоскость его срабатывания. Сама деталь 28 с измеряемой поверхностью 29 постоянно и непрерывно вращается или ее приводят в движение для осуществления процесса измерения.
Далее измерительное устройство для определения формы поверхностей крупногабаритных деталей - тел вращения посредством универсального крепления 30, устанавливается, например, как показано на фиг. 1, на специальном устройстве продольного перемещения 31. Само специальное устройство продольного перемещения 31 предварительно установлено одним из известных способов, таким образом, чтобы прямая, вдоль которой осуществляется продольное перемещение, была параллельна номинальной оси вращения детали 28, к которой принадлежит измеряемая поверхность 29. Перемещение в продольном направлении в данном случае осуществляется за счет установленного в специальном устройстве продольного перемещения 31 привода 32. Причем связанный с блоком сбора, обработки и хранения информации 26 привод 32 позволяет производить автоматическое управление перемещением измерительного устройства.
После установки измерительного устройства механизм поперечного перемещения 22 за счет привода 25 перемещает по направлению к измеряемой поверхности 29 раму 19 смонтированную в направляющих 23 остова 24. Перемещаясь, вместе с рамой 19, штанга 16 и установленный на нее корпус 1 подводится до контакта всех роликов 4 и 13, установленных в основаниях 3 базовых опор 2 и основании 12 измерительной опоры 11, с измеряемой поверхностью 29. За счет возможности перемещения штанги 16 в направляющих 18 и установленной внутри рамы 19 пружины сжатия 21, ролики 4 опор 2 и ролики 13 опоры 11 плотно прилегают к измеряемой поверхности 29. Кроме того в случае больших биений измеряемой поверхности пружина сжатия 21 обеспечит работу устройства без поломок. А жесткое крепление измерительной опоры 11 на шток 8, имеющий возможность перемещения в направляющей 7 качалки 6, а также передающееся на опору 11 через шток 8 прижимающее усилие от установленной в качалке 6 пружины сжатия 10, обеспечивают постоянный контакт роликов 13 с измеряемой поверхностью 29, что повышает точность определения геометрических параметров формы поверхности 29 за счет повышения точности определения координат точек контакта измерительной опоры 11 и измеряемой поверхности 29.
Момент полного контакта роликов 4 и 13 определяется по наличию соответствующих сигналов от датчиков угловых перемещений 17, 5 и 15, а также от датчиков линейных перемещений 20 и 9. Причем показания датчика линейных перемещений 20 должны соответствовать заданной величине (минимально необходимая величина входа штанги 16 в раму 19). При достижении всеми роликами 4 и 13 полного контакта с измеряемой поверхностью 29 механизм поперечного перемещения 22 останавливает перемещение рамы 19. За счет того, что привод 25 электрически, посредством проводов, связан с блоком сбора, обработки и хранения информации 26, механизм поперечного перемещения 22 имеет возможность автоматического управления перемещением рамы 19.
Далее по сигналу от датчика полного оборота 27, блок сбора, обработки и хранения информации 26 считывает данные с датчика угловых перемещений 17 и датчика линейных перемещений 20, и сохраняет эти данные в памяти. Считывание показаний с датчиков 17 и 20 производится один раз для измеряемого сечения и выполняется в момент старта измерений по сигналу от датчика полного оборота 27.
Одновременно блок сбора, обработки и хранения информации 26 считывает данные с датчиков угловых перемещений 5 и 15, рассчитывая и сохраняя в памяти угол поворота базовых опор 2 и качалки 6 относительно корпуса 1. Также считывается величина линейных перемещений штока 8 в качалке 6, посредством датчика линейных перемещений 9.
Параллельно процессу считывания данных со всех датчиков, блок сбора, обработки и хранения информации 26 вычисляет текущую длину пути, проходимого по измеряемой поверхности 29 каждым из роликов 13, путем считывания данных с датчиков угловых перемещений 14 и пересчета полученных данных в пройденный путь, в зависимости от действительных диаметров роликов 13.
Поступившие в блок сбора, обработки и хранения информации 26 данные записываются, обрабатываются и на основе их вычисляются параметры формы контура поверхности 29.
В процессе вращения детали производится постоянное сравнение текущей длины пути, определяемой по показаниям с датчиков угловых перемещений 14, с расчетным значением длины пути, который должны пройти по поверхности 29 ролики 13, и при совпадении значений хотя бы для одного из роликов 13 производится повторное считывание данных со всех датчиков устройства, их запись, обработка и повторное вычисление параметров формы контура поверхности 29.
Процесс повторяется до полного оборота детали 28, к которой принадлежит измеряемая поверхность 29.
После достижения полного оборота детали 28, измерение геометрической формы поверхности 29 в заданном сечении прекращается, и при помощи механизма поперечного перемещения 22 измерительное устройство для определения формы поверхностей крупногабаритных деталей - тел вращения отводится от измеряемой поверхности 29. Далее специальным устройством продольного перемещения 31, за счет привода 32, устройство для определения формы поверхностей крупногабаритных деталей - тел вращения перемещается вдоль оси измеряемой детали 28 в положение измерения следующего сечения. Процесс измерения в каждом последующем сечении аналогичен.
Действия повторяются до тех пор, пока не будет произведено измерение формы всей поверхности 29 в необходимом количестве сечений.
По показаниям датчиков угловых перемещений 5, 15 и датчика линейных перемещений 9 рассчитываются координаты трех точек измеряемой поверхности 29 в каждом шаге измерения, и по этим координатам определяются геометрические параметры формы поверхности 29 в данном сечении.
По показаниям датчика угловых перемещений 17 и датчика линейных перемещений 20, а так же данных от приводов 25 и 32 механизмов и устройств перемещений, определяются и рассчитываются координаты всех точек измеряемой поверхности 29 для всех измеренных сечений в единой системе координат.
Показания всех датчиков поступают в блок сбора, обработки и хранения информации 26, который может быть сопряжен с ЭВМ или управляющей системой станка.
По полученным данным может быть получена цифровая объемная трехмерная модель измеряемой поверхности 29, которая в дальнейшем может использоваться для математического моделирования поведения детали 28 в процессе работы или получения управляющей программы для обработки ее поверхности.
Таким образом, измерительное устройство для определения формы поверхностей крупногабаритных деталей - тел вращения позволяет с высокой точностью измерять геометрическую форму поверхностей крупногабаритных деталей в процессе их эксплуатации, а именно, такие параметры как: 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.