ВИБРОКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для измерения внутренних и наружных диаметров цилиндрических деталей.
Известно виброконтактное измерительное устройство (см. Патент РФ №159109, G01B 7/12, 27.01.2016), содержащее корпус, вибратор с измерительным наконечником, выполненный в виде счетного триггера, общий провод которого соединен с измеряемой деталью, электронных ключей прямого и обратного хода, упругую подвеску, электромагнит возбуждения колебаний, выполненного в виде закрепленного в корпусе постоянного кольцевого магнита, внутри которого расположена, с возможностью перемещения, обмотка якоря, связанного с корпусом упругой подвеской, и импульсных усилителей, и узел измерения параметров колебаний вибратора.
Недостатком данного устройства является то, что измеряются параметры только токопроводящих деталей, что снижает гибкость и функциональность устройства, а также при касании измерительного стержня и измеряемой детали образуется искрение, в результате чего происходит оплавление материала стержня и измеряемой детали, что приводит к снижению точности измерения.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является виброконтактное измерительное устройство (см. Патент РФ №162311, G01B 7/12, 10.06.2016), содержащее корпус, основание, виброгенератор, выполненный в виде закрепленного в основании постоянного кольцевого магнита, внутри которого расположена, с возможностью перемещения, обмотка якоря, с закрепленным на нем диэлектрическим штоком, с жестко закрепленным перпендикулярно его оси измерительным стержнем и связанным с корпусом посредством упругого элемента, возбудитель колебаний, измерительный стержень, жестко закрепленный на якоре виброгенератора, который связан с корпусом посредством упругого элемента, и отсчетное устройство.
Недостатком данного устройства является то, что измеряются параметры только токопроводящих деталей, что снижает гибкость и функциональность устройства, а также при касании измерительного стержня и измеряемой детали образуется искрение, в результате чего происходит оплавление материала стержня и измеряемой детали, приводящее к изменению их геометрических параметров, а также образование в этот момент частот колебания, близких или равных резонансным частотам колебания виброгенератора, что приводит к образованию ряда дополнительных погрешностей, приводящих к снижению точности измерения.
Таким образом, в известных устройствах диаметр измеряется только в токопроводящих деталях, происходит оплавление материала детали и измерительного стержня и сбой работы устройств вследствие возникновения резонанса, что ограничивает возможность более широкого применения устройств и снижает точность измерения.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание предлагаемого устройства, позволяющего измерять диаметр любых цилиндрических деталей по изменяемой в зависимости от измеряемого диаметра частоте вынужденных колебаний якоря виброгенератора и закрепленного на нем измерительного стержня.
Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении полезной модели, является повышение точности измерения диаметров цилиндрических деталей.
Указанный технический результат достигается тем, что в виброконтактном измерительном устройстве, содержащем корпус, основание, виброгенератор, выполненный в виде закрепленного в основании постоянного кольцевого магнита, внутри которого расположена, с возможностью перемещения обмотка якоря, с закрепленным на нем диэлектрическим штоком, с жестко закрепленным перпендикулярно его оси измерительным стержнем и связанным с корпусом посредством упругого элемента, возбудитель колебаний, и отсчетное устройство, на измерительном стержне закреплены два тензорезистора, соединенные в мостовую схему, выход которой соединен со входом возбудителя колебаний, выполненного в виде усилителя мощности, компаратора прямого хода, трех логических элементов ИЛИ, триггера прямого хода, компаратора обратного хода, триггера обратного хода, выход мостовой схемы соединен со входом усилителя мощности, положительный выход которого соединен со входом компаратора прямого хода, выход которого через логический элемент ИЛИ соединен с неинвертирующим входом триггера прямого хода и через логический элемент ИЛИ с инвертирующим входом триггера обратного хода, а отрицательный выход усилителя мощности соединен со входом компаратора обратного хода, выход которого соединен с неинвертирующим входом триггера обратного хода и через логический элемент ИЛИ с инвертирующим входом триггера прямого хода, причем выход триггера прямого хода соединен с началом обмотки якоря, а выход триггера обратного хода соединен с концом обмотки якоря и отсчетным устройством.
Введение в устройство закрепленных на измерительном стержне двух тензорезисторов, соединенных в мостовую схему обеспечивает формирование на ее выходе знакопеременного линейного сигнала, пропорционального деформации измерительного стержня. Сформированный сигнал подается на усилитель мощности, что приводит к образованию на его выходах сигналов противоположных знаков. Положительный сигнал сравнивается компаратором прямого хода с величиной опорного напряжения, образуя в момент сравнения на его выходе прямоугольный сигнал высокого уровня, который подается через логический элемент ИЛИ на неинвертирующий вход триггера прямого хода и через логический элемент ИЛИ на инвертирующий вход триггера обратного хода. При этом на триггере прямого хода образуется сигнал логической единицы, а на триггере обратного хода сигнал логического ноля, что приводит якорь и закрепленный на нем диэлектрический шток с измерительным стержнем в движение прямого хода под действием силы Ампера до касания одной из поверхностей отверстия измеряемой детали. Отрицательный сигнал сравнивается компаратором обратного хода с величиной опорного напряжения, образуя на его выходе прямоугольный сигнал высокого уровня, который подается на неинвертирующий вход триггера обратного хода и через логический элемент ИЛИ на инвертирующий вход триггера прямого хода. При этом на триггере прямого хода образуется сигнал логического ноля, а на триггере обратного хода образуется сигнал логической единицы, что приводит якорь и закрепленный на нем диэлектрический шток с измерительным стержнем в движение обратного хода под действием силы Ампера до касания противоположной поверхности отверстия измеряемой детали. Частота возникающих при этом вынужденных колебаний якоря и измерительного стержня измеряется цифровым частотомером, соединенным с выходом триггера обратного хода, что позволяет измерять величину диаметра детали с высокой точностью, свойственной цифровым средствам контроля.
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 включения; 6 - сигналы на выходе мостовой схемы; в - сигнал на положительном выходе усилителя мощности; г - сигнал на отрицательном выходе усилителя мощности; д - сигнал на выходе компаратора прямого хода; е - сигнал на выходе компаратора обратного хода; ж - сигнал на выходе триггера прямого хода; з - сигнал на выходе триггера обратного хода; и - сигнал выключения; к - график колебательного движения измерительного стержня. На фиг. 3 - принципиальная схема измерительного стержня для измерения внутренних диаметров деталей. На фиг. 4 - принципиальная схема измерительного стержня для измерения наружных диаметров деталей.
Устройство содержит (фиг. 1) корпус 1, основание 2, виброгенератор 3, выполненный в виде закрепленного в основании постоянного кольцевого магнита 4, внутри которого расположена, с возможностью перемещения, обмотка 5 якоря 6, с закрепленным на нем диэлектрическим штоком 7, с жестко закрепленным перпендикулярно его оси измерительным стержнем 8 и связанным с корпусом посредством упругого элемента 9, возбудитель колебаний 10, и отсчетное устройство 11. На измерительном стержне закреплены два тензорезистора R1 и R2, соединенные в мостовую схему 12 с настоечными резисторами R3 и R4. Выход мостовой схемы соединен со входом возбудителя колебаний 10, выполненного в виде усилителя мощности 13, компаратора прямого хода 14, логического элемента ИЛИ 15, логического элемента ИЛИ 16, триггера прямого хода 17, компаратора обратного хода 18, логического элемента ИЛИ 19, триггера обратного хода 20. Причем выход мостовой схемы 12 соединен со входом усилителя мощности 13, положительный выход которого соединен со входом компаратора прямого хода 14, выход которого через логический элемент ИЛИ 15 соединен с неинвертирующим входом триггера прямого хода 17 и через логический элемент ИЛИ 19 с инвертирующим входом триггера обратного хода 20, а отрицательный выход усилителя мощности 13 соединен со входом компаратора обратного хода 18, выход которого соединен с неинвертирующим входом триггера обратного хода 20 и через логический элемент ИЛИ 16 с инвертирующим входом триггера прямого хода 17, причем выход триггера прямого хода 17 соединен с началом обмотки якоря 6, а выход триггера обратного хода 20 соединен с концом обмотки якоря 6 и отсчетным устройством 11. Блок запуска и остановки 21 выполнен в виде кнопок SB1 и SB2. Выход кнопки SB1 соединен через логический элемент ИЛИ 15 с неинвертирующим входом триггера прямого хода 17 и через логический элемент ИЛИ 19 с инвертирующим входом триггера обратного хода 20. Выход кнопки SB2 соединен через логический элемент ИЛИ 16 с инвертирующим входом триггера прямого хода 11 и через логический элемент ИЛИ 19 с инвертирующим входом триггера обратного хода 20.
п
Для измерения диаметра детали 22 в нужном сечении корпус 7 с виброгенератором 3 и измерительным стержнем 8 перемещается вдоль оси измеряемого отверстия, при этом виброгенератор 3 выполнен в виде закрепленного в основании 2 постоянного кольцевого магнита 4, внутри которого расположена с возможностью перемещения обмотка 5 якоря 6 с закрепленным на нем диэлектрическим штоком 7, жестко связанным с установленным перпендикулярно его оси измерительным стержнем 8, на котором закреплены два тензорезистора R1 и R2, соединенные в мостовую схему 12 с настоечными резисторами R3 и R4. На вход мостовой схемы подается напряжение питания U, что приводит к образованию на ее выходе знакопеременного линейного сигнала, пропорционального деформации измерительного стержня 8. Выход мостовой схемы 12 соединен со входом возбудителя колебаний 10, выполненного в виде усилителя мощности 13, на выходах которого появляются сигналы разных знаков. Положительный сигнал сравнивается компаратором прямого хода 14 с величиной опорного напряжения, образуя в момент сравнения на его выходе прямоугольный сигнал высокого уровня, который подается через логический элемент ИЛИ 15 на неинвертирующий вход триггера прямого хода 17 и через логический элемент 19 на инвертирующий вход триггера обратного хода 20. При этом на триггере прямого хода 17 образуется сигнал логической единицы, а на триггере обратного хода 20 сигнал логического ноля, что приводит якорь 6 и закрепленный на нем диэлектрический шток 7 с измерительным стержнем 8 в движение прямого хода под действием силы Ампера до касания одной из поверхностей отверстия измеряемой детали 22. Отрицательный сигнал сравнивается компаратором обратного хода 18 с величиной опорного напряжения, образуя на его выходе прямоугольный сигнал высокого уровня, который подается на неинвертирующий вход триггера обратного хода 20 и через логический элемент ИЛИ 16 на инвертирующий вход триггера прямого хода 17. При этом на триггере прямого хода 17 образуется сигнал логического ноля, а на триггере обратного хода 20 образуется сигнал логической единицы, что приводит якорь 6 и закрепленный на нем диэлектрический шток 7 с измерительным стержнем 8 в движение обратного хода под действием силы Ампера до касания противоположной поверхности отверстия измеряемой детали 22. Частота возникающих при этом вынужденных колебаний якоря 6 и измерительного стержня 8 измеряется цифровым частотомером 11, соединенным с выходом триггера обратного хода 20, что позволяет измерять величину диаметра детали с высокой точностью, свойственной цифровым средствам контроля. Устройство работает следующим образом.
пуск
5
6
м
4
6
5
м
3
5
6
стоп
5
6
Для измерения диаметра D отверстия детали в нужном сечении измерительный стрежень (фиг. 3) вводится в измеряемое отверстие детали, после чего кнопкой SB1 блока запуска и остановки 21 одновременно подается прямоугольный импульс U (фиг. 2, а)через логический элемент ИЛИ 15 на неинвертирующий вход триггера прямого хода 17, образуя на его выходе прямоугольный сигнал высокого уровня U (фиг. 2, ж) и через логический элемент ИЛИ 19 на инвертирующий вход триггера обратного хода 20, образуя на его выходе сигнал низкого уровня U (фиг. 2, з). Это приводит якорь 6 и закрепленный на нем диэлектрический шток 7 с измерительным стержнем 8 в движение в прямом направлении под действием силы Ампера до касания с поверхностью отверстия измеряемой детали 22 (фиг. 3, позиция 23). Это вызывает деформацию измерительного стержня 8 и, соответственно растяжение тензорезистора 7? 7 и сжатие тензорезистора R2, что приводит к образованию на выходе мостовой схемы 12 отрицательного сигнала U (фиг. 2, б), который сравнивается компаратором обратного хода 18 с величиной заданного опорного напряжения, тем самым образуя на его выходе прямоугольный импульс U (фиг. 2, е), который одновременно подается на неинвертирующий вход триггера обратного хода 20, образуя на его выходе прямоугольный сигнал высокого уровня U (фиг. 2, з), и через логический элемент ИЛИ 16 на инвертирующий вход триггера прямого хода 17, что образует на выходе триггера прямого хода сигнал низкого уровня U (фиг. 2, ж). Это приводит якорь 6 и закрепленный на нем диэлектрический шток 7 с измерительным стержнем 8 в движение обратного хода под действием силы Ампера до касания противоположной поверхности отверстия измеряемой детали 22 (фиг. 3, позиция 24). Это вызывает деформацию измерительного стержня 8 и, соответственно сжатие тензорезистора R1 и растяжение тензорезистора R2, что приводит к образованию на выходе мостовой схемы 12 положительного сигнала U (фиг. 2, б), который сравнивается компаратором прямого хода 14 с величиной заданного опорного напряжения, тем самым образуя на его выходе прямоугольный импульс U (фиг. 2, д), который одновременно подается через логический элемент ИЛИ 15 на неинвертирующий вход триггера прямого хода 17, образуя на его выходе прямоугольный сигнал высокого уровня U (фиг. 2, ж) и через логический элемент ИЛИ 19 на инвертирующий вход триггера обратного хода 20, образуя на его выходе сигнал низкого уровня U (фиг. 2, з). Это приводит якорь 6 и закрепленный на нем диэлектрический шток 7 с измерительным стержнем 8 в движение прямого хода под действием силы Ампера до касания с противоположной поверхностью отверстия измеряемой детали 22 (фиг. 3, позиция 23). Далее цикл повторяется, тем самым создаются вынужденные колебания якоря и измерительного стержня S(t) с периодом Т (фиг. 2, к), ограниченные диаметром измеряемой детали. Для отключения устройства, кнопкой SB2 блока управления 21 одновременно подается короткий импульс U (фиг. 2, и) через логический элемент ИЛИ 16 на инвертирующий вход триггера прямого хода 17, что образует на выходе триггера прямого хода сигнал низкого уровня U (фиг. 2, ж) и через логический элемент ИЛИ 19 на инвертирующий вход триггера обратного хода 20, образуя на его выходе сигнал низкого уровня U (фиг. 2, з). С уменьшением диаметра детали при постоянной скорости движения измерительного стержня 8 уменьшается время его перемещения, тем самым повышается частота переключений триггера обратного хода 20, выход которого соединен с отсчетным устройством 11, а, следовательно, повышается частота возникающих при этом колебаний якоря 6 и измерительного стержня 8. С увеличением диаметра детали при постоянной скорости движения измерительного стержня 8 увеличивается время его перемещения, тем самым уменьшается частота переключений триггера обратного хода 20, выход которого соединен с отсчетным устройством 11, а, следовательно, уменьшается частота возникающих при этом колебаний якоря 6 и измерительного стержня 8. Измерение этой частоты позволит измерять обратно пропорциональную величину диаметра детали с высокой точностью.
Для измерения наружного диаметра используется раздвоенный шариковый наконечник, изображенный на фиг. 4, который расположен в плоскости измеряемого сечения.
Заявляемая полезная модель позволит повысить точность измерения диаметра цилиндрических деталей.