УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗМЕРОВ ВНУТРЕННИХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРОТЯЖЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для определения величины диаметров внутренних цилиндрических поверхностей протяженных изделий.
Известно устройство для измерения внутренних размеров внутренних поверхностей протяженных изделий (см. А.С. СССР 1467373, G01B 5/12, 23.03.1989), содержащее центральную штангу, размещенные на штанге измерители линейных перемещений, узел центрирования штанги и приводы углового и осевого перемещения штанги, при этом узел центрирования штанги выполнен в виде рамного каркаса, размещенного на штанге между измерителями линейных перемещений, и четырех роликовых опор, предназначенных для взаимодействия с контролируемой поверхностью и установленных на каркасе с возможностью перемещения относительно оси штанги.
Недостатком данного устройства является то, что для определения величины диаметра контролируемой поверхности необходимо вращение центральной штанги механических приводом, в котором ввиду конструктивных особенностей имеются зазоры, а оценку размеров производят по сигналу, генерируемому измерителями линейных перемещений, амплитудное значение которого определяется вблизи максимума сигнала, что вносит существенную погрешность измерения, тем самым снижая его точность.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для измерения внутренних размеров внутренних поверхностей протяженных изделий (см. п.м. РФ 153279, G01B 5/12, 10.07.2015), содержащее центральную штангу, привод осевого перемещения штанги, узел центрирования штанги, выполненный в виде рамного каркаса, жестко закрепленного на штанге между двух пар измерителей линейных перемещений, четырех роликовых опор, предназначенных для взаимодействия с контролируемой поверхностью и установленных на каркасе,
-4
К причине, препятствующей достижению заданного технического результата, относится то, что при определении величины диаметра контролируемой поверхности измерители линейных перемещений генерируют сигналы, амплитудные значения которых регистрируются вторичными устройствами, например цифровыми вольтметрами, точность которых не превышает 10, однако амплитудное значение определяется вблизи максимума сигнала, что в совокупности с невысокой точностью вторичных устройств вносит существенную погрешность измерения, тем самым снижая его точность.
Таким образом в известных устройствах оценку размеров внутренних цилиндрических поверхностей протяженных изделий производят по амплитудным значениям генерируемых сигналов измерителей вторичными устройствами, обладающими невысокой точностью, что в совокупности с погрешностью оценки амплитуды вблизи максимума сигнала вносит существенную погрешность измерения, тем самым снижая его точность.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание предлагаемого устройства, впервые позволяющего измерять размеры внутренних цилиндрических поверхностей протяженных изделий по изменяемому в зависимости от измеряемого диаметра периода времени перемещений измерительного щупа с постоянной скоростью между диаметрально противоположными точками на поверхности измеряемого изделия.
Техническим результатом предлагаемого устройства для измерения размеров внутренних цилиндрических поверхностей протяженных изделий является повышение точности измерения размеров внутренних цилиндрических поверхностей протяженных изделий.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения размеров внутренних цилиндрических поверхностей протяженных изделий, содержащем центральную штангу, привод осевого перемещения штанги, узел центрирования штанги, выполненный в виде рамного каркаса, жестко закрепленного на штанге, четыре измерителя линейных перемещений, четыре роликовые опоры, предназначенных для взаимодействия с контролируемой поверхностью и установленных на каркасе, два идентичных измерительных блока и пару устройств возвратно-поступательного перемещения, закрепленных на концах центральной штанги, четыре измерителя линейных перемещений, каждый из которых выполнен в виде измерительного щупа, выполненного в виде балки и закрепленного на каретке устройства возвратно-поступательного перемещения перпендикулярно оси направления возвратно-поступательного перемещения, причем каждый из измерительных блоков состоит из узла вычислений и двух идентичных измерительных каналов, каждый из которых выполнен в виде компаратора прямого хода, компаратора обратного хода, логического элемента ИЛИ, триггера запуска, дифференцирующего усилителя начала измерения, триггера начала и конца измерения, дифференцирующего усилителя конца измерения, отсчетного устройства и блока обратного временного преобразования, а на каждом измерительном щупе закреплены по паре тензорезисторов, соединенных в мостовую схему, выход которой соединен со входами компаратора прямого хода, компаратора обратного хода, дифференцирующего усилителя начала измерения и дифференцирующего усилителя конца измерения, а выходы компаратора прямого входа и компаратора обратного хода соединены через логический элемент ИЛИ с неинвертирующим входом триггера запуска, соединенным с дифференцирующим усилителем начала измерения, выход которого соединен с инвертирующим входом триггера запуска и с неинвертирующим входом триггера начала и конца измерения, соединенного с дифференцирующим усилителем конца измерения, выход которого соединен с инвертирующим входом триггера начала и конца измерения, и отсчетным устройством, выход которого соединен через блок обратного временного преобразования с узлом вычислений.
-7
Введение в устройство закрепленных на каждом измерительном щупе двух тензорезисторов, соединенных в мостовую схему, обеспечивает формирование на ее выходе нулевого сигнала, когда измерительный щуп не деформирован, и формирование знакопеременного линейного сигнала, пропорционального деформации измерительного щупа. Компараторы прямого хода и компараторы обратного хода обеспечивают возможность начала измерения размеров после отрыва измерительных щупов от поверхности изделия и включение реверсивного хода после деформации измерительных щупов на заданное значение, что позволяет избежать переходных процессов в начале движения измерительных щупов и обеспечивает постоянную скорость перемещения измерительных щупов между диаметрально противоположными точками на поверхности измеряемого изделия. Появление нулевого сигнала на выходе мостовой схемы, в момент отрыва измерительного щупа от измеряемой поверхности, регистрируется дифференцирующим усилителем начала измерения, на выходе которого образуется импульсный сигнал прямоугольной формы, который подается на неинвертирующий вход триггера начала и конца измерения. Это приводит к образованию на выходе триггера начала и конца измерения прямоугольного сигнала высокого уровня, служащего сигналом о запуске измерения отсчетным устройством и включении дифференцирующего усилителя конца измерения. Вход дифференцирующего усилителя конца измерения регистрирует момент касания измерительного щупа противоположной поверхности, когда на выходе мостовой схемы образуется знакопеременный сигнал, что приводит к образованию на его выходе импульсного сигнала прямоугольной формы, который через логический элемент ИЛИ подается на инвертирующий вход триггера начала и конца измерения. Это приводит к смене на его выходе прямоугольного сигнала высокого уровня на сигнал низкого уровня, который служит сигналом окончания измерения периода времени колебаний отсчетным устройством. Измеренный период времени преобразуется блоком обратного временного преобразования в величину перемещения измерительного щупа, которое затем в узле вычислений преобразуется в величину измеряемого размера. Измерение времени перемещения измерительного щупа позволяет измерять величину размеров внутренних поверхностей протяженных изделий с высокой точностью, свойственной цифровым средствам контроля времени. Например, относительная погрешность цифрового частотомера типа Ч3-33, также измеряющего период, составляет 1,5×10.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства для измерения размеров внутренних поверхностей протяженных изделий. На фиг. 2 изображен главный вид устройства для измерения размеров внутренних поверхностей протяженных изделий. На фиг. 3 изображен главный вид устройства для измерения размеров внутренних поверхностей протяженных изделий. На фиг. 4 приведены временные диаграммы работы устройства: а - сигнал на выходе мостовой схемы первого измерительного щупа; б - сигнал на выходе компаратора обратного хода первого измерительного щупа; в - сигнал на выходе компаратора прямого хода первого измерительного щупа; г - сигнал на выходе триггера запуска усилителя первого измерительного щупа; д - сигнал на выходе дифференцирующего усилителя начала измерения первого измерительного щупа; е - сигнал на выходе триггера начала и конца измерения первого измерительного щупа; ж - сигнал на выходе дифференцирующего усилителя конца измерения первого измерительного щупа; з - сигнал на выходе мостовой схемы второго измерительного щупа; и - сигнал на выходе компаратора обратного хода второго измерительного щупа; к - сигнал на выходе компаратора прямого хода второго измерительного щупа; л - сигнал на выходе триггера запуска усилителя второго измерительного щупа; м - сигнал на выходе дифференцирующего усилителя начала измерения второго измерительного щупа; н - сигнал на выходе триггера начала и конца измерения второго измерительного щупа; о - сигнал на выходе дифференцирующего усилителя конца измерения второго измерительного щупа. На фиг. 5 представлена схема измерения размера контролируемой цилиндрической поверхности.
Устройство (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) содержит центральную штангу 1, привод осевого перемещения штанги (не показан), узел центрирования штанги 2, выполненный в виде рамного каркаса, жестко закрепленного на штанге 1, четыре роликовые опоры 3, предназначенных для взаимодействия с контролируемой поверхностью 4 и установленных на каркасе, два идентичных измерительных блока 5, 6 и пару устройств возвратно-поступательного перемещения 7, закрепленных на концах центральной штанги 1 и четыре измерителя линейных перемещений 8. Причем каждый измеритель линейных перемещений выполнен в виде измерительного щупа 9, выполненного в виде балки и закрепленного на каретке 10 устройства возвратно-поступательного перемещения 7 перпендикулярно оси направления возвратно-поступательного перемещения, причем каждый из измерительных блоков 5, 6 состоит из узла вычислений 11 и двух идентичных измерительных каналов 12, каждый из которых выполнен в виде компаратора прямого хода 13, 14, компаратора обратного хода 15, 16, логического элемента ИЛИ 17, 18, триггера запуска усилителя 19, 20, дифференцирующего усилителя начала измерения 21, 22, триггера начала и конца измерения 23, 24, дифференцирующего усилителя конца измерения 25, 26, отсчетного устройства 27, 28 и блока обратного временного преобразования 29, 30, а на каждом измерительном щупе закреплено по два тензорезистора R1, R2 и R5, R6, соединенных в мостовую схему 31, 32, выход которой соединен со входами компаратора прямого хода 13, 14, компаратора обратного хода 15, 16, дифференцирующего усилителя начала измерения 21, 22 и дифференцирующего усилителя конца измерения 25, 26, а выходы компаратора прямого хода 13, 14 и компаратора обратного хода 15, 16 соединены через логический элемент ИЛИ 17, 18 с неинвертирующим входом триггера запуска усилителя 19, 20, соединенным с дифференцирующего усилителем начала измерения 21, 22, выход которого соединен с инвертирующим входом триггера запуска усилителя 19, 20 и с неинвертирующим входом триггера начала и конца измерения 23, 24, соединенного с дифференцирующего усилителем конца измерения 25, 26, выход которого соединен с инвертирующим входом триггера начала и конца измерения 23, 24, и отсчетным устройством 27, 28, выход которого соединен через блок обратного временного преобразования 29, 30 с узлом вычислений 11.
п
Для измерения размеров внутренних поверхностей протяженных изделий устройство устанавливают на контролируемую поверхность 4, затем каретка 10 устройства возвратно-поступательного перемещения 7 начинает движение, что приводит в движение измерительные щупы 9, закрепленные на каретке 10 перпендикулярно оси направления возвратно-поступательного перемещения, причем на измерительных щупах 9, для контроля их деформации, закреплены по два тензорезистора R1, R2 и R5, R6, соединенные в мостовую схему 31, 32 с соответствующими парами настроечных резисторов R3, R4 и R7, R8. На вход мостовой схемы 31, 32 подается напряжение питания U, обеспечивающее формирование на его выходе нулевого сигнала, когда измерительный щуп 9 не деформирован, и формирование знакопеременного линейного сигнала, пропорционального деформации измерительного щупа 9. Сигнал с выхода мостовой схемы 31, 32 подается на входы компаратора прямого хода 13, 14, компаратора обратного хода 15, 16, дифференцирующего усилителя начала измерения 21, 22 и дифференцирующего усилителя конца измерения 25, 26, что приводит к образованию на их выходах импульсных сигналов прямоугольной формы. Импульсные сигналы с выходов компаратора прямого хода 13, 14 и компаратора обратного хода 15, 16 подаются через логический элемент ИЛИ 17, 18 на неинвертирующий вход триггера запуска усилителя 19, 20, образуя на его выходе прямоугольный сигнал высокого уровня, который подается на вход питания дифференцирующего усилителя начала измерения 21, 22, вход которого регистрирует появление нулевого сигнала измерительного моста 31, 32, в момент отрыва измерительного щупа 9 от поверхности 4. При этом на выходе дифференцирующего усилителя начала измерения 21, 22 образуется импульсный сигнал прямоугольной формы, который подается на неинвертирующий вход триггера начала и конца измерения 23, 24. Это приводит к образованию на выходе триггера начала и конца измерения 23, 24 прямоугольного сигнала высокого уровня, служащего сигналом о запуске измерения отсчетным устройством 27, 28 и включении дифференцирующего усилителя конца измерения 25, 26. Вход дифференцирующего усилителя конца измерения 25, 26 регистрирует момент касания измерительного щупа 9 противоположной поверхности 9, когда на выходе мостовой схемы 31, 32 образуется знакопеременный сигнал высокого уровня, что приводит к образованию на выходе дифференцирующего усилителя конца измерения 25, 26 импульсного сигнала прямоугольной формы, который через подается на инвертирующий вход триггера начала и конца измерения 23, 24. Это приводит к смене на его выходе прямоугольного сигнала высокого уровня на сигнал низкого уровня, который служит сигналом окончания измерения периода времени колебаний отсчетным устройством 27, 28. Измеренный период времени преобразуется блоком обратного временного преобразования 29, 30 в величину измеряемого перемещения измерительного щупа 9, что позволяет измерять величину размеров внутренних поверхностей протяженных изделий с высокой точностью, свойственной цифровым средствам контроля времени.
Устройство работает следующим образом.
Для измерения размеров внутренних поверхностей протяженных изделий устройство устанавливают на контролируемую поверхность 4.
п
п
1, 2
1, 2
1, 2
3, 9
4, 10
5, 11
1, 2
6, 12
7, 13
1, 2
8, 14
7, 13
1
2
1
2
Напряжение питания U подается на инвертирующий вход триггера начала и конца измерения 23, 24, инвертирующий вход триггера запуска 21, 22 и устройство возвратно-поступательного перемещения 7. Что приводит в движение каретку 10 устройства возвратно-поступательного перемещения 7, и соответственно измерительные щупы 9, закрепленные на каретке 10 перпендикулярно оси направления возвратно-поступательного перемещения, причем на измерительных щупах 9, для контроля их деформации, закреплены по два тензорезистора R1, R2 и R5, R6, соединенные в мостовую схему 31, 32 с соответствующими парами настроечных резисторов R3, R4 и R7, R8. На вход мостовой схемы 31, 32 подается напряжение питания U, обеспечивающее формирование на его выходе нулевого сигнала U, когда измерительный щуп 9 не деформирован, и формирование знакопеременного линейного сигнала U, пропорционального деформации измерительного щупа 9. Сигнал U с выхода мостовой схемы 31, 32 подается на входы компаратора прямого хода 13, 14, компаратора обратного хода 15, 16, дифференцирующего усилителя начала измерения 21, 22 и дифференцирующего усилителя конца измерения 25, 26, что приводит к образованию на их выходах импульсных сигналов прямоугольной формы. Импульсные сигналы с выходов компаратора прямого хода 13, 14 U и компаратора обратного хода 15, 16 U подаются через логический элемент ИЛИ 17, 18 на неинвертирующий вход триггера запуска 19, 20, образуя на его выходе прямоугольный сигнал U, который подается на вход питания дифференцирующего усилителя начала измерения 21, 22, вход которого регистрирует появление нулевого сигнала U измерительного моста 31, 32 в момент отрыва измерительного щупа 9 от поверхности 4, при этом на выходе дифференцирующего усилителя начала измерения 21, 22 образуется импульсный сигнал U, который подается на неинвертирующий вход триггера начала и конца измерения 23, 24. Это приводит к образованию на выходе триггера начала и конца измерения 23, 24 прямоугольного сигнала U, служащего сигналом о запуске измерения отсчетным устройством 27, 28 и включении дифференцирующего усилителя конца измерения 25, 26. Вход дифференцирующего усилителя конца измерения 25, 26 регистрирует момент касания измерительного щупа 9 противоположной поверхности 9, когда на выходе мостовой схемы 31, 32 образуется знакопеременный сигнал высокого уровня U, что приводит к образованию на выходе дифференцирующего усилителя конца измерения 25, 26 импульсного сигнала U, который через подается на инвертирующий вход триггера начала и конца измерения 23, 24. Это приводит к смене на его выходе сигнала U с высокого уровня на низкий уровень, который служит сигналом окончания измерения периода t, t времени колебаний отсчетным устройством 27, 28. Измеренный период времени t, t преобразуется в блоке обратного временного преобразования 29, 30 в величину измеряемого перемещения  (фиг. 5) измерительного щупа 9.
Далее в узле вычисления 11 определяют величину размера D контролируемой поверхности 4 в соответствии с формулой:
1
2
где (фиг. 5) h - расстояние между центрами измерительных щупов одной каретки (определяется при калибровке устройства); d и d - расстояние между диаметрально противоположными точками на поверхности измеряемого изделия.
1
2
Значения d и d определяются по следующей формуле:
1, 2
где (фиг. 5) х - длина измерительного щупа;  и  - величина измеренного перемещения измерительного щупа.
Заявляемая полезная модель позволит повысить точность измерения размеров внутренних цилиндрических поверхностей протяженных изделий.