4.1. Лінійні вимірювання
Міри довжини кінцеві плоськопараллельниє. Широко використовуються плоськопараллельниє кінцеві міри довжини у формі прямокутного паралелепіпеда з двома плоскими взаємно паралельними вимірювальними поверхнями. Заходи випускаються за ГОСТом 9038 - 90 зі сталі марок X, ШХ15, ХГ, 12ХГ і з твердого сплаву, а також з кварцу класів точності 00; 01; 0; 1, 2, 3. Допуски на розмір в залежності від класу точності знаходяться в межах від 0,06 до 1 мкм, а на площинність - від 0,05 до 1 мкм. Шорсткість вимірювальних поверхонь повинна бути Rz £ 0,063 мкм.
За довжину l кінцевий заходи вживають довжину перпендикуляра, опущеного з даної точки вимірювальної поверхні кінцевий заходи на її протилежну поверхню (рис. 4.1, а). Найбільша за абсолютним значенням різниця між довжиною заходи в будь-якій точці і її номінальною довжиною, яка маркується на бічній поверхні заходи (рис. 4.1, 6), становить відхилення довжини заходи. Різниця між найбільшою і найменшою довжинами визначає відхилення від плоскопаралельного.
Заходи поставляються в наборі і розсипом за замовленнями. Градація: 0,001; 0,005; 0,01; 0,5; 1; 10; 25; 50; 100 мм. Використовуючи властивість прітіраемості, що забезпечує міцне зчеплення кінцевих мір, їх можна збирати в різні блоки (рис. 4.1, б). Блок слід складати з можливо меншого кількості заходів. Для закріплення блоків заходів та зручного користування при зовнішніх і внутрішніх вимірах, для проведення точних розмічальних робіт випус-
каються набори приладдя до плоскопараллельних кінцевим заходам типу ПК-1, ПКО-1, ПК-2 і ПК-3 (ГОСТ 4119 - 76).
За допустимої похибки вимірювання, допуску на плоскопаралельну і результатами повірки визначають розряд заходи. За ГОСТом 166 - 75 передбачено п'ять розрядів (1, 2, 3, 4, 5).
У деяких випадках вимірювальні поверхні кінцевих мір довжини виконані циліндричними або сферичними.
Міри довжини штрихові. До штриховим мір довжини відносяться: брускові (ГОСТ 12069 - 90), стрічкові рулетки (ГОСТ 7502 - 98), лінійки вимірювальні металеві (ГОСТ 427 - 75), складні металеві метри, об'єкт-мікрометри, скляні штрихові лінійки і шкали.
Брускові штрихові міри довжини застосовуються для безпосередніх вимірювань в якості шкал приладів і верстатів, а також як зразкові для повірки вимірювальних приладів лінійних вимірювальних перетворювачів. Брускові заходи виконуються одно-і багатозначними. Однозначні заходи мають два штрихи, відстань між якими визначає довжину заходи, багатозначні - шкалу штрихів з деци-, санти-і міліметровими інтервалами. Деякі заходи мають інтервали між штрихами 0,1 або 0,2 мм. У цьому випадку в комплект входять лупи із збільшенням не менш 7х. Заходи виготовляються з інвару, оптичного скла і сталі.
За ГОСТом 12069 - 90 передбачено дев'ять типів поперечного перерізу брускових заходів класів точності 0, 1, 2, 3, 4, 5.
Залежно від умов атестації штрихові міри довжини можуть бути 1, 2 і 3-го розрядів.
Вимірювальні металеві рулетки виконуються з інвару, нержавіючої сталі і светлополірованной сталевої стрічки довжиною 1, 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 75, 100 м. Вони випускаються 2-го і 3-го класів точності. Допустимі відхилення дійсної довжини міліметрових поділів рулеток повинні бути не більше ± 0,15 і ± 0,20 мм, сантиметрових - не більш ± 0,20 і ± 0,30 мм, дециметрових і метрових - не більш ± 0,30 і ± 0 , 40 мм для 2-го і 3-го класів точності відповідно.
Вимірювальні металеві лінійки виготовляються зі сталевого пружинного термообробленою стрічки зі светлополірованной поверхнею довжиною до 1 м і з ціною поділки 1 мм.
Складні металеві метри виготовляються довжиною 1 м і складаються з 10 сталевих пружних пластин, з'єднаних шарнірно. Металеві вимірювальні лінійки повинні мати відхилення між будь-якими штрихами не більше ± 0,10 мм для лінійок довжиною до 300; ± 0,15 мм - для лінійок довжиною від 300 до 500 мм і ± 0,20 мм - для лінійок довжиною від 500 до 1000 мм.
Об'єкт-мікрометри вставляються в мікроскопи для визначення збільшення. Вони представляють собою металеву оправу довжиною 76, шириною 76 і товщиною 2 мм. У центр оправи вклеєна скляна пластина зі шкалою, що має інтервали між поділами 0,01.
Скляні штрихові лінійки мають п'ять інтервалів по 25 мм загальною довжиною 125 мм. Інтервал 60 - 61 мм має 10 поділок через 0,1 мм.
Ширина штрихів - 0,006 мм; допускається відхилення на відстані між будь-якими штрихами ± 0,002 мм; точність атестації не нижче 0,0005 мм.
Лінійка застосовується для повірки інструментальних мікроскопів.
Шкали скляні. Існують декілька типів: штрихові, шкали з хрестом, шкали з хрестом і контрольними штрихами. Скляні шкали застосовують для повірки вимірювальних мікроскопів, компараторів і проекторів.
Штангенінструменти представляють собою дві вимірювальні губки, одна з яких пов'язана з направляючою штангою, що має основну шкалу, а інша - з рухомою рамкою, не-сущої ноніус. Принцип дії ноніуса осно-
ван на поєднанні штрихів основної шкали і шкали ноніуса. До штангенінструментам відносяться штангенциркулі, штангенрейсмасом (штангенвисотомери), штангенглибиномір, штангензубомери.
Штангенциркулі випускаються декількох типів: ШЦ-1 - двосторонні з глибиноміром (рис. 4.2, а); ШЦТ-I - односторонні з твердого сплаву; ШЦ-II - двосторонні (рис. 4.2, б); ШЦ-III - односторонні (рис. 4.2, в).
Фірмами "Теза" (Швейцарія), "Маузер" (ФРН) та рядом інших зарубіжних фірм випускається штангенциркуль із стрілочним відліковим пристроєм з ціною поділки 0,01 і 0,02 мм (рис. 4.3).
Глибиномір 3 та рамка 2 жорстко пов'язані із зубчастою рейкою 4, передавальної рух через трібку 6 стрілкою 1 відлікового пристрою 5.
ОБЛАСТЬ і штангенглибиномір. ОБЛАСТЬ (штангенвисотомери) (рис. 4.4, а) призначені для вимірювання висот і розмічальних робіт. Штангенглибиномір (рис. 4.4, 6) передбачені для вимірювання глибин отворів і пазів, а також для вимірювання виступів.
Мікрометричні прилади. До мікрометричним приладів відносяться мікрометри гладкі (рис. 4.5, а), важільні (рис.
4.5, д), зубомерние (див. рис. 4.49, V), нутромери (рис. 4.6), глибиноміри (рис. 4.7). Деякими зарубіжними фірмами випускаються мікрометри з цифровим відліком (рис. 4.5, г). Існує також ряд спеціальних вимірювальних засобів, оснащених мікрометричної голівкою.
У мікрометричних нутромером (рис. 4.6) в мікрометричні голівку запресована нерухома п'ята 1; рухома п'ята 6 з'єднана з мікровінта 5, який кріпиться в початковому положенні стопором 4. П'яти виконані з твердого сплаву і мають сферичні поверхні. До нутромером з діапазоном вимірювання від 150 до 6000 мм прикладаються подовжувачі, які нагвинчують на різьблення стебла 3, захищену ковпачком 2.
Важільно-зубчасті прилади. До них відносяться: головки вимірювальні; скоби з відліковим пристроєм; глибиноміри, стінкоміри, товщиноміри і нутромери індикаторні. На базі вимірювальних головок створена велика кількість різних спеціальних вимірювальних пристроїв і приладів.
Важільно-зубчасті вимірювальні головки в більшості випадків мають загальний принцип побудови. Технічні характеристики приведені в [42].
На рис. 4.8, а наведена кінематична схема індикатора годинникового типу ИЧ-2, а на рис. 4.9 - важільно-зубчаста вимірювальна головка 1ІГ. Існують індикаторні головки з цифровим (електронним) відліком свідчень (рис. 4.10).Прилади з важільно-зубчатими механізмами. Важільно-зубчасті головки і механізми застосовуються як відлікових пристроїв в універсальних вимірювальних приладах у багатомірних і переналагоджуваних пристосуваннях, на верстатах.
За ГОСТом 11098 - 75 випускаються скоби з відліковим пристроєм типу СИ, оснащені вимірювальними головками, і типу СР - з вбудованим в корпус відліковим пристроєм. За ГОСТом 11358 - 89 випускаються індикаторні товщиноміри настільного типу ТН і ручні - типу ТР; за ГОСТом 7661 - 67 виготовляються глибиноміри; за ГОСТом 11358 - 89-стінкоміри; за ГОСТом 868 - 82, ГОСТу 9244 - 75 - індікіторние нутромери.
На рис 4.11, а наведена схема індикаторного нутроміра для вимірювання отворів понад 18 мм. Всередині трубки 5 переміщається шток 4, на який через важіль 3 діє рухлива п'ята, контактируемих з вимірюваним кільцем 7, друга п'ята 6 - нерухома. Шток 4 з'єднаний зі штоком вимірювальної головки 2. У нутроміра для вимірювання діаметрів отворів менше 18 мм нижній кінець штока 4 виконаний у вигляді конуса, який діє на рухомі п'яти, кульки або підпружинені сферичні поверхні розтискний цанги 8 (рис. 4.11, б).
Пружинні вимірювальні прилади. У пружинних приладах використовуються пружні передавальні
(Вимірювальні) механізми, що не мають пар із зовнішнім тертям. Застосування плоских пружин і мембран замість звичайних опор ковзання і обертання забезпечує їх надійну роботу в умовах скупчення пилу і великої вологості. У пружинних передачах приладів для перетворення малих переміщень вимірювального наконечника в значно великі переміщення покажчика використовують плоскі, прямі, зігнуті або скручені пружні металеві стрічки. Ціна поділки шкал вимірювальних головок знаходиться в межах 0,02 - 10 мкм.
В даний час вітчизняної промисловістю випускаються Мікрокатори типу ІГП, мікатори типу ІПМ, мінікатори типу ІРП і оптікатори типу 15301.
Базовою моделлю пружинних приладів є вимірювальна пружинна головка (мікрокатором) типу ІГП (рис. 4.12). Принцип дії мікрокатором заснований на залежності між розтяганням тонкої скрученої металевої стрічки 5 і поворотом її середнього перетину зі стрілкою 17 щодо поздовжньої осі і щодо шкали.
З принциповими схемами інших пружинних приладів та їх метрологічними характеристиками можна познайомитися в [42].
Оптико-механічні прилади широко застосовують у виробничих лабораторіях, а також в цехових умовах при виготовленні виробів, що вимагають точних лінійних та кутових вимірів. Оптико-механічні прилади різноманітні по конструктивного виконання і принципом дії. До таких приладів відносяться: важільно-оптичні, проекційні і вимірювальні мікроскопи і машини, дліномери, інтерференційні прилади. Підвищення точності відліку і вимірювань цих приладів досягається або поєднанням механічних передавальних механізмів з оптичним автоколімаційних пристроєм (оптіметри), або завдяки значному збільшенню вимірюваних об'єктів або шкал (мікроскопи, проектори та ін), або вимірюванням параметрів інтерференційних картин.
Інструментальні та універсальні мікроскопи призначені для виміру довжин, кутів, елементів різьб, зубчастих передач, конусів і різних профілів виробів. Методи вимірювань - проекційний і осьового перерізу в прямокутних і полярних координатах.
Інструментальні мікроскопи поділяються на малі (рис. 4.13, а) ММІ (малий мікроскоп інструментальний) та великі (рис. 4.13, б).
Ціна поділки мікрометричного пристрої - 0,005 мм. Ціна поділки окулярної мірної головки - 1 'і 3'. Межі виміру кутових розмірів 0 - 360о.
Найбільшу точність і межі вимірювання в поздовжньому напрямку до 200 мм і в поперечному - до 100 мм мають універсальні мікроскопи УИМ-21 (рис. 4.15, а), УИМ-23 (рис. 4.15, б) і УИМ-24.
Оптіметри призначені для лінійних вимірювань контактним відносним методом. У їх схемі використовується принцип автоколлімаціі, оптичного і механічного важеля. Основним вузлом оптіметри є трубка з ціною поділки шкали 0,001 мм, границею вимірювання ± 0,1 мм, збільшення 960х. Механічна частина приладу перетворює переміщення вимірювального стрижня в кутове переміщення дзеркала, а оптична трубка створює зображення шкали, яке зміщується щодо його вихідного положення в залежності від кута повороту дзеркала. Оптіметри випускають (залежно від установки трубки) з вертикальним і горизонтальним розташуванням осі (рис. 4.16).
Мікролюкс, мікрозіл і оптотест є різновидами оптико-механічних приладів, в яких використовуються механічні та оптичні важелі в поєднанні з хитним дзеркалом або покажчиком [34].
Вертикальний оптичний дліномери ІЗВ призначений для зовнішніх лінійних вимірювань за шкалою (абсолютним методом) від 0 до 100 мм і від 0 до 250 мм. Ціна поділки шкали 1 мм. Ціна найменшої поділки мікроскопа зі спіральним ноніусом 0,001 мм. Збільшення відлікового мікроскопа 62х. Вимірювальна сила 1,2 - 2,5 Н.
Для точних зовнішніх і внутрішніх лінійних вимірювань великих довжин, відстаней між осями безпосередньо з точних лінійним шкалами (абсолютним методом) або порівнянням зі зразковими мірами (відносним методом) застосовують вимірювальні машини. Вимірювальні машини ізм підрозділяють по верхніх меж вимірювання: до 1000 мм (ізм-1), до 2000 мм (ізм-2), до 4000 мм (ізм-4) і до 6000 мм (ізм-6). Межі виміру внутрішніх розмірів від 13,5 до 150 мм. Ціна поділки шкал: метрової - 100 мм, стомілліметровой - 0,1 мм, трубки оптіметри - 0,001 мм. Збільшення трубки оптіметри - 960х.
Характерною особливістю розвитку сучасної вимірювальної техніки є перехід від екранних до цифрових відліковим пристроям.
Пневматичні прилади можуть реагувати на зміну зазору між деталлю і вихідним соплом, а також на безпосереднє зміна діаметру. Вони можуть бути низького (до 0,5 МПа) і високого (понад 0,5 МПа) надлишкового тиску, манометричного і ротаметріческого типу, диференціального й недіфференціального виконання.
Диференціальні кошти менш чутливі до коливань тиску і володіють кращими метрологічними можливостями. На рис. 4.17 представлена схема пневматичної диференціального приладу манометричного типу. Від пневмосети повітря через фільтр 1, стабілізатор тиску 2 з манометром 3 та вхідні сопла 4 і 10 надходить до вихідних соплам 6 і 9, встановленим над вимірюваними деталями 7 і 8. Чутливим елементом є диференціальний манометр 5, свідчення якого залежать від різниці зазорів S1 і S2 і, отже, від різниці d1 і d2. Якщо одне з сопел, наприклад 10, замінюється вентилем протитиску 11, через який повітря виходить в атмосферу, проводиться вимірювання одного розміру, наприклад d1. За такою схемою створені прилади моделей 318 і 319. У приладі є додатковий оптичний важіль, як манометра використані сильфони.
Схема ротаметріческого приладу високого тиску дана на рис. 4.18. Повітря через вентиль 1 і блок 2 фільтри зі стабілізатором тиску надходить до конічної трубці 3, в якій знаходиться поплавець 8, і до вентиля 7 паралельного пропуску повітря. Пройшовши конічну трубку 3 і дросель 4, потоки об'єднуються і за роздільним каналам надходять до вимірювальної оснащенні 5 і вентиля 6, через який повітря виходить в атмосферу. У залежності від розміру деталі змінюється положення поплавця 8 в трубці 3, на якій нанесена шкала. За даною схемою побудовані дліномери моделі 320.
У дліномери низького тиску (рис. 4.19) чутливим елементом є водяна манометр 4, з'єднаний з водяним стабілізатором тиску 3. При зміні зазору між оснащенням 6 і вимірюваної деталлю міняється положення водяного стовпа в манометрі 4 щодо шкали 5. Повітря до оснащення 6 надходить через кран 1, блок фільтра із стабілізується-
тором тиску 2 і вхідний сопло 7. Аналогічна схема для дліномери моделі 330.
Технічні характеристики пневматичних приладів наведені в [42]. У комплект разом з пневматичними приладами входять пробки пневматичні (ГОСТ 14864 - 78) і кільця настановні (ГОСТ 14865 - 78). Для очищення і стабілізації повітря випускаються фільтри, стабілізатори тиску й блоки фільтрів із стабілізаторами.
4.2. Кутові вимірювання
У багатьох виробах машинобудування застосовують вузли і деталі, якість роботи яких залежить від точності їх кутових розмірів. Такими вузлами і розмірами є, наприклад, підшипники з конічними роликами, направляючі типу "ластівчин хвіст", кінці шпинделів металорізальних верстатів, кінці інструментів, кути оптичних призм і т. д.
Величину кута при вимірі визначають такими методами:
1) порівнянням з жорсткою мірою (кутові заходи, косинці, шаблони, конічні калібри, багатогранні призми);
2) порівнянням зі штриховий мірою (різні види кругових і секторних шкал, гоніометри);
Жорсткі кутові заходи призначені для передачі розміру плоского кута від еталонів до зразкових і робочим кутовим заходам, повірки та градуювання кутомірних приладів і спеціальних кутових заходів (шаблонів), а також для безпосереднього вимірювання кутових виробів.
За ГОСТом 2875 - 88 "Заходи плоского кута призматичні. Загальні технічні умови" передбачено п'ять типів кутових заходів (рис. 4.20): заходи типу 1 виконані із зрізаною вершиною кута і мають малі (до 9о) значення робочих кутів; заходи типу 2 мають гостру вершину робочого кута, охоплюють діапазон від 10 до 79о; заходи типу 3 виконані з чотирма робочими кутами в діапазоні 80 - 100о; заходи типу 4 - призматичні з рівномірним кутовим кроком; заходи типу 5 - з трьома робочими кутами: a = 15о, b = 30о, j = 45о.
Кутові заходи виготовляють з високоякісних сталей, а заходи типу 1 можуть виготовлятися з кварцового і оптичного скла.
За ГОСТом 2875 - 88 для кутових заходів 1, 2 і 3 типів встановлені класи точності 0, 1 і 2 з допусками на виготовлення відповідно ± 3 ¢ ¢, ± 10 ¢ ¢, ± 30 ¢ ¢; для типу 4 - класи точності 00, 0, 1 і 2; для типу 5 - клас точності 1. Зразкові міри атестуються по 2, 3 та 4-му розрядами залежно від похибки атестації,
ції, яка відповідно не повинна перевищувати ± 1 ¢ ¢, ± 3 ¢ ¢, ± 6 ¢ ¢.
Косинці служать для перевірки взаємної перпендикулярності поверхонь і мають кут 90о. Існує два види косинців: лекальні, що забезпечують контакт по лінії (для цього однієї зі сторін додана форма кромки з радіусом закруглення 0,1 - 0,3 мм); з плоскими робочими поверхнями.
Стандартом передбачені три класи точності (0, 1, 2) косинців. Вони випускаються: у вигляді прямокутника (рис. 4.21, а), кутові (ріс.4.21, б) і циліндричні (рис. 4.21, в).
Розбіжність сторін косинця й вимірюваного кута визначають візуально по просвіту між стороною косинця і деталлю або за допомогою щупа.
Порівняння з жорсткою мірою широко застосовують при контролі конічних сполучень. У цьому разі жорсткої заходом є конічний калібр. При цьому перевіряються як діаметр (по осьовому зміщення), так і кут конуса (по фарбі).
Механічні кутоміри призначені для контактних вимірювань кутів. Випускається три типи кутомірів: УН - з відліком по ноніусом 2 ¢ або 5 ¢ (рис. 4.22); УМ - з відліком по ноніусом 2 ¢ або 5 ¢ (рис. 4.23); УГ - з відліком по ноніусом 10 ¢ спрощеної конструкції; УО - оптичний кутомір (рис. 4.24).
Гоніометри (рис. 4.25) є найбільш точними оптичними приладами для безконтактного вимірювання кутів і призначені для вимірювання кутів між плоскими гранями, добре відображають світлові промені. Вимірювання кутів можливо як на непрозорих, так і на прозорих тілах.
Ділильні головки застосовуються для вимірювання кутів при використанні пристроїв, які фіксують необхідну кутове положення граней або інших елементів деталі. Відлікові пристрої ділильних головок бувають як механічними (лімб з ноніусом), так і оптичними рис. 4.26).
Рівні служать для вимірювання малих кутових відхилень від горизонтальної площини. Найбільш поширені в промисловості рідинні рівні. Вони відносяться до гоніометричний засобам вимірювань, оскільки мають кутову шкалу, нанесену на дузі кола. Чутливим елементом таких рівнів є скляна ампула з рідиною.
Ці прилади призначені як для вимірювання кутів відхилення від горизонталі (природного еталона), так і для встановлення поверхні виробу в заданому щодо горизонталі положенні.
Випускаються брускові та рамні рівні з ціною поділки ампул 4 ", 10", 20 ", 30", які на приладі представлені в радіанної мірою (0,1 мм / м відповідає 20 "). У деяких приладах ампула застосовується не для вимірювання відхилень кутів , а для визначення горизонтального положення вузла приладу, в який вона вбудована.
У мікрометричних рівнях свідчення знімають по мікрометричного гвинта, що переміщує ампулу. Мікрометричні рівні випускаються типу 1 з ціною поділки 2 "і типу 2 з ціною поділки 20" (рис. 4.27).
Промисловістю випускаються індуктивні рівні з ціною ділення 2 - 20 ", гідростатичні рівні. Для вимірювання кутів можноиспользовать кругові вимірювальні перетворювачі типу" Індуктосін "," Оптосін "(кругові переміщення перетворюються в електричний сигнал), а також кільцеві оптичні квантові генератори.
Засоби вимірювань, засновані на тригонометричних методі. Типовими прикладами реалізації тригонометричних методів вимірювань кутів є вимірювання за допомогою так званих синусних лінійок і координатні методи.
Синусний лінійка (рис. 4.28) являє собою просту схему: два круглих циліндричних ролика однакового діаметра укріплені на кінцях столика так, щоб їх осі були паралельними. Відстань L між осями роликів має жорсткий допуск і точно атестоване. Це відстань при установці синусної лінійки на необхідний кут a імітує гіпотенузу прямокутного трикутника. Катет цього трикутника h відтворюється блоком плоскопараллельних кінцевих мір, що підкладається під один з роликів (див. рис. 4.28). Робочим кутом встановленої синусної лінійки є кут a1, що відрізняється від розрахункового на похибка установки.
При вимірі на синусної лінійці (мал. 4.29) розмір h блоки заходів, який треба підставити під ролик, щоб нахилити столик на такий же кут a, який має мати вимірюється виріб, визначають з рівняння
h = L × sina. Потім блок підставляють під ролик, до якого спрямована вершина вимірюваного кута.
Вимірювання кута a полягає у визначенні відхилення в положеннях I і II від зазначеної паралельності, що роблять найчастіше за допомогою контактної вимірювальної головки (оптіметри, пружинної головки і т. д.), укріпленої на універсальній стійці.
Стандартні синусні лінійки виготовляють трьох типів: без опорної плити (тип I); з опорною плитою (тип II) і двухнаклонние у взаємно перпендикулярних напрямках (тип III). Лінійки кожного типу мають два класи точності: 1 і 2.
Синусний лінійку можна застосовувати і для вимірювання внутрішніх кутів, наприклад, конусних отворів. Для цього необхідно мати важіль, що вводиться в вимірюване отвір.
Використання роликів і кульок для вимірювання зовнішніх і внутрішніх конусів. При відомих діаметрах кульок і роликів, а також висоті h блоку плоскопараллельних кінцевих мір вимірюють розміри l1 і l2 (рис. 4.30) і розраховують шуканий кут конуса.
h |
l 2 |
l 1 |
a |
d |
D |
h H |
D |
d |
l 2 |
l 1 |
а) б) в) Рис. 4.30. Схеми для вимірювання кутів конусів |
За схемою, наведеною на рис 4.30, а, кут визначається за формулою
За таким же принципом вимірюють конусность за допомогою двох каліброваних кілець із заздалегідь відомими діаметрами D, d і товщиною h (рис. 4.30, в). Відстань Н вимірюють після надягання кілець на конус.
Кут розраховують за формулою
4.3. Альтернативний метод контролю виробів
Альтернатива (від лат. Alter - один із двох) означає "кожна з виключають один одного можливостей".
Контроль за альтернативною ознакою - це контроль за якісним ознакою, в ході якого кожну перевірену одиницю продукції відносять до категорії придатних або дефектних. При цьому методі встановлюється факт відповідності контрольованого параметра контрольному нормативом.
Альтернативний контроль може бути: елементних або комплексним; одно-та багатовимірним; неавтоматичним, механізованим, напівавтоматичним, автоматичним; пасивним або активним.
Альтернативний контроль здійснюється вимірювальними засобами, спеціально призначеними для цієї мети.
На схемі (рис. 4.31) наведено класифікацію засобів і методів альтернативної перевірки придатності параметрів виробів. При альтернативної перевірці найбільш широко використовуються калібри. Більшість видів і конструкцій калібрів стандартизовано.
4.3.1. Калібри для гладких циліндричних деталей
Для контролю гладких циліндричних виробів типу валів і втулок, особливо у великосерійному і масовому виробництві, широко застосовують граничні гладкі калібри (ГОСТ 2216 - 84). Калібри для валів називаються скобами, а для отворів - пробками. Комплект калібрів складається з прохідного і непрохідного (рис. 4.32, а).
Придатність деталей з допуском від IТ6 до IТ17, особливо при масовому і великосерійному виробництвах, найбільш часто перевіряють граничними калібрами. Комплект робочих граничних калібрів для контролю розмірів гладких циліндричних деталей складається з прохідного калібру ПР (їм контролюють граничний розмір, відповідний максимуму матеріалу об'єкта, що перевіряється) і непрохідного калібру НЕ (їм контролюють граничний розмір, відповідний мінімуму матеріалу об'єкта, що перевіряється).
Альтернативна перевірка придатності геометричних параметрів виробів |
Заходи |
Вимірювальні пристрої |
З постійним зна- ченіем: плоскопа- Паралельно кінцеві заходи, кутові заходи, набір належ- ностей |
Калібри |
Зі змінним значенням: штри- ховой метр, рулетка, масштабна ли- Нейко, лімб |
Простий-рілі |
Уні-версаль-ні |
Спе-ціальні |
|
|
|
|
Рис. 4.31. Класифікація засобів і методів альтернативної перевірки придатності параметрів виробів
Деталь вважають придатною, якщо прохідний калібр (прохідна сторона калібру) під дією власної ваги або зусилля, приблизно рівного йому, проходить, а непрохідний калібр (непрохідна сторона) не проходить по контрольованої поверхні деталі. У цьому випадку дійсний розмір деталі знаходиться між заданими граничними розмірами.
Робочі калібри ПР і НЕ призначені для контролю виробів у процесі їх виготовлення. Цими калібрами користуються робітники і контролери ВТК заводу-виробника, причому в останньому випадку застосовують частково зношені калібри ПР і нові калібри НЕ.
Для установки регульованих калібрів-скоб і контролю нерегульованих калібрів-скоб застосовують контрольні калібри К-І, які є непрохідними і служать для вилучення з експлуатації внаслідок зносу прохідних робочих скоб. Незважаючи на малий допуск контрольних калібрів, вони все ж спотворюють встановлені поля допусків на виготовлення і знос робочих калібрів, тому контрольні калібри по можливості не слід застосовувати. Доцільно, особливо в дрібносерійному виробництві, контрольні калібри замінювати кінцевими заходами або використовувати універсальні вимірювальні прилади.
Вали і отвори з допуском IТ5 і точніше не рекомендується перевіряти калібрами, так як вони вносять велику погрішність вимірювання. Такі деталі перевіряють універсальними вимірювальними засобами.
Для зниження витрат на калібри прагнуть збільшити їх зносостійкість. Так, зносостійкість калібрів, оснащених твердим сплавом, в 50-150 разів вище в порівнянні з зносостійкістю сталевих калібрів і в 25-40 разів вище в порівнянні з зносостійкістю хромованих калібрів при підвищенні вартості калібрів тільки в 3-5 разів.
Для контролю валів використовують головним чином скоби. Найбільш поширені односторонні двухпредельние скоби. Застосовують також регульовані скоби, які можна налаштовувати на різні розміри, що дозволяє компенсувати знос і використовувати одну скобу для вимірювання розмірів, що лежать в певному інтервалі. Регульовані скоби в порівнянні з жорсткими мають меншу точність і надійність, тому їх частіше застосовують для контролю виробів квалітету 8 і грубіше.
При конструюванні граничних калібрів для гладких, різьбових та інших деталей слід дотримуватися принципу подібності Тейлора, згідно з яким прохідні калібри за формою повинні бути прототипом сполученої деталі з довжиною, рівній довжині з'єднання (тобто калібри для валів повинні мати форму кілець), і контролювати розміри у всій довжині з'єднання з урахуванням похибок форми деталей. Непрохідні калібри повинні мати малу вимірювальну довжину і контакт, що наближається до точкового, щоб перевіряти тільки власне розмір деталі. Таким чином, виріб вважають придатним, коли похибки розміру, форми й розташування поверхонь перебувають у полі допуску.
На практиці доводиться відступати від принципу Тейлора внаслідок незручностей контролю, наприклад, прохідним кільцем, так як це вимагає багаторазового зняття деталі, закріпленої в центрах верстата. Замість контролю прохідними кільцями застосовують багаторазовий контроль прохідними скобами з широкими вимірювальними поверхнями, а замість штихмасу - непрохідні калібри-пробки з малою (значно менше, ніж у прохідній пробки) шириною вимірювальних поверхонь.
Допуски калібрів. Схеми розташування полів допусків калібрів наведено на рис. 4.33 і 4.34 з такими позначеннями: d (D) - номінальний розмір виробу; dmin (Dmin) - найменший граничний розмір виробу; dmax (Dmax) - найбільший граничний розмір виробу; Т - допуск вироби.
За ГОСТом 24853 - 81 на гладкі калібри Установлюються такі допуски на виготовлення: Н - допуск на виготовлення калібрів для отвору (за винятком калібрів зі сферичними вимірювальними поверхнями); НS - допуск на виготовлення калібрів зі сферичними вимірювальними поверхнями для отвори; Н1 - допуск на виготовлення калібрів для валу; НР - допуск на виготовлення контрольного калібру для скоби; Z - відхилення середини поля допуску на виготовлення прохідного калібру для отвору щодо найменшого граничного розміру вироби; Z1 - відхилення середини поля допуску на виготовлення прохідного калібру для валу щодо найбільшого граничного розміру вироби; у - допустимий вихід розміру зношеного прохідного калібру для отвори за кордон поля допуску вироби; у1 - допустимий вихід розміру зношеного прохідного калібру для валу за межу поля допуску вироби; a - величина для компенсації похибки контролю калібрами отворів з розмірами понад 180 мм; a1 - величина для компенсації похибки контролю калібрами валів з розмірами понад 180 мм.
Для прохідних калібрів, які в процесі контролю зношуються, крім допуску на виготовлення, передбачається допуск на знос.
Для розмірів до 500 мм знос калібрів ПР з допуском до IТ8 включно може виходити за межу поля допуску деталі на величину y для пробок і y1 - для скоб; для калібрів ПР з допусками від IТ9 до IТ17 знос обмежується прохідним межею, тобто y = 0 і y1 = 0.
Рис. 4.33. Схеми розташування допусків калібрів для номінальних розмірів до 180 мм: а - д ля отворів IT 6 - IT 8; б - для отворів IT9 - IT17; в - для валів IT6-IT8; г - для валів IT9-IT17 |
P - HE |
T D |
D min |
P - HE |
H / 2 |
P - ПР |
H / 2 |
Н |
Z |
H |
Кордон зносу |
D max |
а) |
б) |
D max |
T D |
D min |
H / 2 |
H / 2 |
Н |
у |
Z |
P - ПР |
H |
Кордон зносу |
H P |
d max |
T D |
d min |
P - HE |
у 1 |
Кордон зносу |
Н 1 |
P - ПР |
H 1 / 2 |
Z 1 |
Н 1 |
H 1 / 2 |
K - HE |
H P / 2 |
K - ПР |
H P / 2 |
K - І |
H P / 2 |
в) |
H P |
H P |
H P |
d max |
T D |
d min |
P - HE |
Кордон зносу |
Н 1 |
P - ПР |
H 1 / 2 |
Z 1 |
Н 1 |
H 1 / 2 |
K - HE |
H P / 2 |
K - ПР |
H P / 2 |
K - І |
H P / 2 |
г) |
H P |
H P |
Рис. 4.34. Схеми розташування допусків калібрів для номінальних розмірів з 180 до 500 мм: а - для отворів IT6 - IT8; б - для отворів IT9 - IT17; в - для валів IT6-IT8; г - для валів IT9-IT17 |
D max |
a |
a |
Кордон зносу |
Кордон зносу |
а) |
T D |
D min |
P - HE |
H / 2 |
H / 2 |
Н |
у |
Z |
P - ПР |
H |
Кордон зносу |
a |
б) |
D max |
T D |
D min |
P - HE |
H / 2 |
H / 2 |
Н |
Z |
P - ПР |
H |
Кордон зносу |
a |
H P |
d max |
T D |
d min |
P - HE |
у 1 |
Н 1 |
P - ПР |
H 1 / 2 |
Z 1 |
Н 1 |
H 1 / 2 |
K - HE |
H P / 2 |
K - ПР |
H P / 2 |
K - І |
H P / 2 |
в) |
H P |
H P |
a 1 |
a 1 |
d max |
T D |
d min |
P - HE |
Н 1 |
P - ПР |
H 1 / 2 |
Z 1 |
Н 1 |
H 1 / 2 |
K - HE |
H P / 2 |
K - ПР |
H P / 2 |
K - І |
H P / 2 |
г) |
H P |
H P |
H P |
a 1 |
a 1 |
Слід зазначити, що поле допуску на знос відображає середній ступень зносу калібру.
Для всіх прохідних калібрів поля допусків Н (НS) і Н1 зрушені всередину поля допуску вироби на величину Z для калібрів-пробок і Z1 - для калібрів-скоб.
При номінальних розмірах понад 180 мм поле допуску непрохідного калібру також зсувається всередину поля допуску деталі на величину a для пробок і a1 - для скоб, створюючи так звану зону безпеки, введену для компенсації похибки контролю калібрами відповідно отворів і валів розміром понад 180 мм. Поле допуску калібрів НЕ для розмірів до 180 мм симетрично щодо верхнього відхилення деталі для пробок і щодо нижнього - для скоб, тобто a = 0 і
a1 = 0.
Зрушення полів допусків калібрів і меж зносу їх прохідних сторін всередину поля допуску деталі дозволяє усунути можливість спотворення характеру посадок і гарантувати отримання розмірів придатних деталей в межах встановлених полів допусків.
На ріс.4.35 наведені схеми нестандартних конструкцій калібрів. Калібр для перевірки форми заданого профілю представлений на рис. 4.35, а. Нормальний калібр 1 використовується у поєднанні з гладким двухпредельним калібром-пробкою 2. На рис. 4.35, б представлений варіант перевірки зазору С між калібром 2 і деталлю 1. На рис. 4.35, в дана схема використання спеціального стрілочного калібру для контролю глибини деталі 1. По просвіту З контролюється мальтійський хрест калібром, наведеним на рис. 4.35, р. Для контролю перпендикулярності з використанням щупа наведено калібр на рис. 4.35, д.
4.3.2. Контроль розмірів висоти і глибини [42]
За ГОСТом 25346 - 89 усі елементи деталей поділяються на три групи: вали, отвори і елементи, які не відносяться ні до валів, ні до отворів. Розміри висоти і глибини відносяться до третьої групи.
На розміри висоти і глибини можуть призначатися будь-які поля допусків, але, як правило, для них призначаються квалітети не точніше 11-го і частіше симетричні поля допусків (Js, J).
Контроль розмірів висоти і глибини можна виробляти універсальними вимірювальними засобами або двухпредельнимі калібрами. У серійному виробництві, як правило, використовуються калібри. Конструкції та принципи дії таких калібрів наведено на рис. 4.36. У даних калібрах використовуються наступні методи: "світловий щілини" (або "на просвіт") - на калібрах, показаних на рис. 4.36, а, б, в; "насування" - на калібрах рис. 4.36, г, д, е; "дотику" - на калібрах рис. 4.36, ж, з; "за ризиками" - на рис. 4.36, і, к.
Конструкції, розміри і допуски калібрів для контролю висоти і глибини встановлює ГОСТ 2534-77 "Калібри граничні для глибин і висот уступів. Допуски". За цим держстандарту стандартизовані конструкції калібрів типів, зображених на рис. 4.36, а - тобто
Граничні боку калібрів позначаються літерами Б (велика) і М (менша). Кожна зі сторін калібрів (Б і М) повинна мати лезвіеподобную грань для зменшення похибок контро-
ля (див. рис. 4.36, а, б, в) внаслідок нерівностей на оброблених поверхнях і плоску грань (направляючу), поліпшує умови оцінки величини просвіту. При контролі розмірів уступів плоских деталей зручні калібри, зображені на рис. 4.36, г, д. При контролі уступів на точених деталях зручні калібри (рис. 4.36, е, з). Для контролю розмірів глибин доцільно використовувати калібри типів, представлених на рис. 4.36, ж, к. калібрами за методом "світловий щілини" контролюються допуски не менше 0,06 мм.
4.3.3. Контроль конусів і кутів
Калібри для контролю конусів і кутів можуть грунтуватися на порівняльному або тригонометричної методі вимірювання кутів. На рис. 4.37 наведено схеми, що роз'яснюють принципи побудови та використання порівняльного і тригонометричного методів при контролі. На рис. 4.37, а зображена схема порівняльного контролю (вимірювання) кута деталі 1 за допомогою кутовий заходи 3 з використанням щупа 2. Контроль гладких конічних виробів конусними калібрами проводиться за відносним осьовому переміщенню Zк вироби і калібру в межах осьового допуску (різниця між верхнім і нижнім осьовими відхиленнями перевіряється конуса).
Конструкція калібру на рис. 4.37, б дозволяє використовувати одночасно контроль порівняльним та тригонометричним методами; Zк - відстань, рівне допуску базорасстоянія перевіряється конуса. Сутність використання для контролю тригонометричного методу можна зрозуміти, аналізуючи рис. 4.37, в, г, д.
|
Проверяемая деталь зміщується в осьовому напрямку внаслідок того, що більший діаметр конуса виявився більше найбільшого граничного розміру, а кут конуса - менше найменшого граничного кута (див. рис. 4.37, г). На рис. 4.37, д перевіряється деталь зміщується в противопо
товщина шару фарби для різних конусів коливається в межах від 2 до 5 мкм. Зона контакту повинно бути не менше 90%.
Контроль і вимірювання кутів і конусів універсальними засобами викладено у п. 4.2.
4.4. Вимірювання форми і розташування поверхонь
Перевірка відхилень форми поверхонь в більшості випадків проводиться шляхом вимірювання на універсальних або спеціальних вимірювальних приладах. Проте у ряді випадків виявляється доцільним використовувати методи альтернативної перевірки і, зокрема, застосовувати калібри спеціальної конструкції (див. ріс.4.35, а, б).
Типи, конструкції і точність виготовлення вимірювальних поверхонь таких калібрів не є стандартизованими. Принцип їх конструювання та використання грунтується на виконанні основного положення про відхилення форми, яке являє собою найбільшу відстань між точками реальної поверхні і відповідними точками прилеглої поверхні, що визначається по нормалі до прилеглої поверхні.
Для контролю прямолінійності осі поверхонь великої протяжності використовуються калібри, сконструйовані за принципом калібрів розташування. Вони являють собою контрдеталь розміром, що відповідає розміру прохідного калібру з кількістю матеріалу, зменшеним на величину допуску прямолінійності. Так, номінальний розмір прохідної пробки для контролю залежного допуску прямолінійності dн = dПР.ізн - TF,
де dПР.ізн - розмір повністю зношеної прохідний пробки для контролю отвори; TF - допуск прямолінійності осі отвору.
Довжина такого прохідного калібру не повинна бути менше довжини з'єднання.
Для вимірювання відхилення від прямолінійності використовують лінійки перевірочні типу ЛД, ЛТ і ЛЧ; для вимірювання площинності - лінійки перевірочні типу ШП, ШД, ШМ і УТ. Лінійки виготовляють за ГОСТом 8026 - 92: лінійки типу ЛД, ЛТ і ЛЧ - зі сталі марок Х і ШХ 15; типу ШП і ШД - зі сталі марок У7 і 50 і типу ШМ і УТ - з сірого чавуну. Згідно ТУ 2-034-806 - 76 лінійки випускаються хромованими. Освоєно випуск лінійок повірочних з твердокамінний порід.
Для вимірювання площинності за ГОСТом 10905 - 86 випускаються чавунні перевірочні плити і за ТУ 2-034-802 - 74 - плити перевірочні з твердокамінний порід (граніту, діориту, діабазу і габро).
Вимірювання прямолінійності поверхонь за допомогою лекальні лінійок можна виробляти "на просвіт" і методом лінійних відхилень. У першому випадку ребро лекальної лінійки поміщають на вивіреному поверхню і на-віч оцінюють просвіт між ними. Неозброєним оком можна виявити просвіт в 1 - 2 мкм. У другому випадку лінійку укладають на дві опори рівного розміру, розташовані на повіряється поверхні, і визначають відстань між повіряється і робочої поверхнями лінійки за допомогою щупів, кінцевих мір довжини або спеціальними приладами з відліковим пристроєм.
Для вимірювання прямолінійності вертикальних поверхонь широко використовується метод натягнутої струни [21].
Шаброванной плити типу ШМ широко застосовують в якості зразкових поверхонь при оцінці неплощинності за методом "плям на фарбу". Критерієм гарної площинності є рівномірний розподіл забарвлених плям (фарба - берлінська лазур або сажа) по всій поверхні [21].
Площинність можна виміряти сферометром і карусельним плоскомером.
Сферометр (рис. 4.39) складається з корпусу 1 із трьома жорсткими опорами 2, 3 і 4, утворюють вихідну площину. У центрі корпусу поміщений мікрометричний гвинт 5 (відліковий пристрій).
Карусельний плоскомер (рис. 4.40) має вимірювальну головку 1, яка закріплена на пересувній консолі 2, розміщеної на колонці
3. Колонка 3 має можливість повертатися в кронштейні 5, який, у свою чергу, повертається навколо колонки 4, пов'язаної з основою 6. Перед початком вимірювання, регулюючи гвинти 7, домагаються, щоб свідчення головки 1 у трьох базових точках, що визначають вихідну площину, були рівні нулю. Потім, обертаючи кронштейн 5 і колонку 3, можна вимірювати площинність в будь-якій точці вимірюваної поверхні 8 в радіусі r.
Перевірка відхилень розташування може здійснюватися універсальними вимірювальними засобами або калібрами розташування.
Знайшли застосування системи одноетапного і двоетапного контролю розташування за допомогою комплексних калібрів.
Конструкції калібрів можуть бути різними і визначаються конструкцією деталі та положенням контрольованих поверхонь. Калібри можуть бути цільними і складовими.
Розрахунок розмірів комплексних калібрів для одноетапної, найбільш поширеної схеми контролю, здійснюється відповідно до
ГОСТом 16085-80.
4.5. Контроль і вимірювання шорсткості
При контролі і вимірі шорсткості поверхонь користуються методом візуальної оцінки, контактними і безконтактними профільними методами, до яких відносяться: методи світлового перерізу, тіньової проекції, мікроінтерференціонний і растровий методи. У тих випадках, коли не представляється можливим безпосередньо виміряти шорсткість поверхні, з вимірюваної поверхні знімають зліпок і визначають параметри шорсткості поверхні по зліпку.
При візуальній оцінці вивіреному поверхню порівнюють зі зразками шорсткості поверхні, які випускають за Держстандартом 9378 - 93 (ІСО 2632-1 - 85 та ISO 2632-2 - 85). Зразки шорсткості виготовляють плоскими чи циліндричними з поверхнею порівняння не менше 30х30 мм. На кожному зразку наносять номінальне значення параметра Ra в мікрометрів. На вимогу замовника разом з параметром Ra може бути нанесено дійсне значення параметра Rz як довідковий. Зразки шорсткості комплектуються в набори або виготовляються окремими зразками за видами обробки і матеріалами, з яких вони виготовлені. Порівнянні поверхні і зразки шорсткості повинні мати той самий вид обробки і матеріал.
Порівняння поверхонь деталі і зразка неозброєним оком дає задовільні результати тільки для грубих поверхонь (приблизно від Ra = 0,6 - 0,8 мкм і більше). Точність при візуальній оцінці шорсткості може бути підвищена в разі застосування лупи чи мікроскопів порівняння, наприклад, мікроскопа моделі МС-48. У деяких випадках можна робити порівняння повіряється поверхні з поверхнею спеціально виготовлених зразкових деталей.
До приладів, які проводять вимірювання контактним профільним методом, відносяться профілографи і профілометри. Профілографи реєструють координати профілю поверхні на записувальному приладі. Профілометри вимірюють параметри шорсткості і фіксують їх на шкалі. У Росії профілографи і профілометри випускаються за ГОСТом 19300 - 86 заводом "Калібр". У деяких моделях профілографи і профілометри об'єднані в одному приладі. Як щупа в них використовується острозаточенним алмазна голка, що переміщається по нерівностях. Механічні коливання голки перетворюються в електричний сигнал. Радіус кривизни вершини голки вибирається з ряду 2 +2; 5 ± 1; 10 ± 2,5 мкм.
Вітчизняною промисловістю освоєно ряд моделей профілометри і профілографи: моделі 201 і 252 для лабораторних умов, а моделі 253, 283 і ін - для цехових умов.
На рис. 4.41 представлений загальний вид профілометра для вимірювання в цехових умовах моделі 283. На підставі 7 закріплена колонка, на якій розташований привід 3 з вимірювальним перетворювачем 2. На важелі перетворювача закріплена алмазна обмацує голка 1. На підставі 7 також розташовуються різні пристосування для установки і орієнтації деталей, що підлягають вимірюванню (наприклад, призма 8). Сигнал від перетворювача посилюється, проходить фільтри відсічень кроку, детектируется, інтегрується і фіксується стрілочним приладом 6. Показує стрілочний прилад розташований на передній панелі електронного блоку 4, на якому розміщені також тумблер включення приладу в мережу, сигнальні лампи руху перетворювача по вимірюваної поверхні, перемикачі 5 діапазонів вимірювання і кнопка ходу пуску перетворювача.
Профілографи і профілометри випускають також зарубіжні фірми: "Ренк Тейлор Гобсон" (Англія) випускає прилад "Телісурф-4" з комп'ютером, що забезпечує автоматичну перевірку збільшень, калібрування та зберігання в оперативній пам'яті інформації про профіль поверхні, що дозволяє визначати за один прохід значення всіх параметрів шорсткості, а також прилади типу "Суртронік-3" для вимірювання параметра Ra у цехових умовах і типу "Телісурф-10" для високоточних вимірювань різних параметрів шорсткості; фірма "Міцутойо" (Японія) випускає прилад типу "Сурфтест З", призначений для вимірювання параметра Ra і запису профілю в прямокутній системі координат на паперову стрічку; фірма "Хоммельверке" (ФРН) випускає профілометр-профілограф типу "Хоммель-Тестер Т10" для лабораторних умов, профілометр типу "Хоммель-Тестер Р5" з п'єзоелектричним перетворювачем і батарейним харчуванням для цехових умов, а також профілометр-профілограф типу "Хоммель-Тестер Т2" для роботи в цехових і лабораторних умовах.
Безконтактний контроль параметрів шорсткості здійснюють за допомогою приладів світлового перерізу типу МИС-11 і ПСС-2, мікроінтерферометров типу МІІ-4 і імерсіонно-реплікових мікроінтерферометров МІІ-10, МІІ-9, МІІ-11, МІІ-12, растрових вимірювальних мікроскопів типу Орім -1 і ін.)
У безконтактних приладах (типу ПСС-2 і МІС-11), принцип дії яких заснований на вимірюванні параметрів проекції світлового перерізу досліджуваної поверхні за допомогою похило спрямованого до неї світлового пучка (рис. 4.42, а), світловий промінь проходить через діафрагму 1 з вузькою щілиною і конденсор 2 і проектує світлову смужку поверхні 3 об'єктивом 4 в фокальную площину окуляра 5. Висоту мікронерівностей вимірюють за допомогою окуляра-мікрометра (рис. 4.42, б).
Принцип дії приладів тіньового перетину аналогічний принципу дії приладів світлового перетину. У приладах тіньового перетину розглядається тінь, викривлена нерівностями поверхні. Тінь створюється ножем, який додається до повіряється поверхні.
Принцип дії інтерферометрів заснований на використанні явища інтерференції світла, відбитого від зразкової і досліджуваної поверхонь. Форма утворюються інтерференційних смуг залежить від виду і висоти (до 1 мкм) нерівностей контрольованої поверхні.
Принцип дії растрових мікроскопів заснований на явищі освіти муарових смуг при накладенні зображень елементів двох періодичних структур (спрямованих слідів обробки і дифракційної решітки). При наявності нерівностей муарові смуги викривляються. Висоту мікронерівностей визначають за ступенем викривлення муарових смуг.
4.6. Контроль і вимірювання різьби [50, 35]
Точність різьблення можна контролювати диференційованим (контроль кожного параметра окремо) і комплексним (контроль розташування контуру різьби в установленому поле допуску) методами. Метод контролю кожного параметра різьблення в окремо (середнього діаметру, кроку і кута профілю) трудомісткий, тому його застосовують для точних різьб: ходових гвинтів, різьбових калібрів, мітчиків і т. п. Іноді за результатами контролю окремих параметрів судять (після обчислень) про комплексний параметрі, наприклад, про наведене середньому діаметрі різьблення. Комплексний контроль різьблень виконують або за допомогою граничних калібрів, або за допомогою проекторів і шаблонів з граничними контурами.
4.6.1. Контроль різьби калібрами
У систему калібрів входять робочі гладкі і різьбові прохідні (Р-ПР) і непрохідні (Р-НЕ) калібри, а також контркалібри (КПР-ПР, КНЄ-ПР, У-ПР, КНЄ-НЕ, КІ-НЕ, У-НІ ) для перевірки та регулювання (встановлення) робочих різьбових скоб і кілець.
Свінчіваемость робочого різьбового прохідного калібру з різьбленням або входження на неї скоби означає, що наведений середній, найменший внутрішній для болта і найбільший зовнішній для гайки діаметри не виходять за прохідні граничні значення. Непрохідними різьбовими калібрами контролюють тільки власне середній діаметр різьби - у разі придатності різьби вони не повинні свінчівать з перевіряється різьбленням більше, ніж на два оберти.
Різьблення гайок перевіряють за допомогою граничних різьбових калібрів - пробок, різьблення болтів - жорсткими або регульованими різьбовими кільцями або скобами.
Прохідні різьбові калібри (ПР) мають повний профіль і довжину згвинчування. Вони є як би прототипами деталей, що сполучаються. Ними контролюють наведений середній діаметр і одночасно найбільший внутрішній діаметр зовнішньої різьби і найменший зовнішній діаметр внутрішньої різьби. Непрохідні різьбові калібри (НЕ) мають укорочений профіль і служать для перевірки власне середнього діаметра різьби - найменшого для болта і найбільшого для гайки.
Зовнішній діаметр зовнішньої різьби і внутрішній діаметр внутрішньої різьби контролюють гладкими калібрами або універсальними засобами вимірювання.
Різьбові і гладкі калібри для метричної різьби циліндричної та конічної, трубної циліндричної, що сполучаються з трубної конічної, виготовляються за ГОСТом 24939 - 81.
Знос калібру-кільця контролюється контрольним калібром-пробкою К-І. Калібр-скоба Р-ПР встановлюється за контркалібру-пробці У-ПР, а Р-НІ - по контркалібру-пробці У-НЕ.
Допуски різьбових калібрів. Розташування полів допусків середнього діаметра калібрів для контролю зовнішньої різьби показано на рис. 4.43, а, внутрішній - на рис. 4.43, б. Допуски і величини, що визначають положення полів допусків і межа зносу калібрів, регламентуються за ГОСТом 24997 - 81. Допуски всіх контркалібров, наведених на рис. 2.43, однакові і рівні ТСР.
Позначення: ТPL - допуск зовнішнього та середнього діаметра різьбового прохідного і непрохідного калібрів-пробок; ТR - допуск внутрішнього і середнього діаметра різьбового прохідного і непрохідного калібрів-кілець; WGO - величина среднедопустімого зносу різьбових прохідних калібрів-пробок і калібрів-кілець; WNG - величина среднедопустімого зносу різьбових непрохідних калібрів-пробок і калібрів-кілець; F1 - відстань між лінією середнього діаметра і вершиною укороченого профілю різьби; ZPL - відстань від середини поля допуску Тp різьбового прохідного калібру-пробки до прохідного (нижнього) межі середнього діаметра внутрішнього різьблення; ZR - відстань від середини поля допуску TR різьбового прохідного калібру до верхньої межі середнього діаметра зовнішньої різьби.
4.6.2. Диференційований (поелементний) контроль параметрів різьби
Всі основні параметри різьби (власне середній діаметр, зовнішній і внутрішній діаметри, крок і кут профілю) можна контролювати за допомогою універсальних або спеціалізованих контрольних засобів. При цьому контрольований параметр вимірюють багато разів, що дозволяє шляхом подальшої обробки результатів за відомими методиками зменшити вплив похибок інших параметрів різьби.
Середній діаметр зовнішньої різьби контролюють за допомогою універсальних засобів без додаткових пристосувань або з використанням різьбових вставок, ножів, зволікань, роликів, а для внутрішньої різьби - ще і кульок або відбитків.
Для малих утворюють різьблень при вимірюванні середнього діаметра застосовують метод трьох, двох або однієї зволікання (рис. 4.44), що закладаються у западини різьблення. Таким чином, контрольне засіб дозволяє виміряти деякий розмір М, що залежить від середнього діаметра різьби d2 і діаметра dп тяганини (рис. 4.45). Для зменшення впливу похибок кута профілю вибирають зволікання найвигіднішого діаметра dп. н, який забезпечує їх торкання з западиною різьби по лінії середнього діаметра dп. н = 0,5 × P/cosa/2. Тоді
Для метричної різьби (a = 60 °) d2 = M - 3 × dп. н + 0,866 × P.
Для вимірювання розміру М використовують дліномери, оптіметри, мікрометри (рис. 4.46) і т. п. Для підвищення точності вимірювання враховують похибки діаметра зволікань, кроку, кута профілю, кута підйому різьби, деформації витків та ін При невеликому числі витків застосовують метод двох зволікань, тоді
d2 = M - 3 × dп. н + 0,866 × P - P2 / [8 (M - dп. н)].
Для контролю різьблень з D> 100 мм застосовують одну зволікання.
У цехових умовах і при ремонті використовують мікрометри з різьбовими вставками (рис. 4.47). Похибка цього методу 0,025 - 0,2 мм.
Крок різьби вимірюють за допомогою універсальних чи спеціальних засобів. З універсальних засобів використовують головним чином мікроскопи.
Середній діаметр внутрішніх різьблень вимірюють за допомогою штихмасу з різьбовими вставками, індикаторних приладів з розсувними
полупробкамі або сферичних вставок, а також шляхом отримання відбитків і виливків з подальшим їх виміром універсальними засобами.
Оіз варіантів вимірювання середнього діаметра індикаторним нутромером з вимірювальними голівками. Для цього на нижню частину трубки нутроміра надівається різьбова пробка 2, в якій розташовані сферичні вставки 1, що розсуваються конусом 3, пов'язаним через шток нутроміра з вимірювальною головкою.
Вимірювання середнього діаметра кульками або кульковими наконечниками аналогічно виміру тяганиною. При цьому використовують горизонтальні і вертикальні оптіметри, індикатори і т. п. Всі параметри внутрішнього різьблення можна також вимірювати за допомогою спеціального мікроскопа ІЗК-59 (пристосування до ДІМ).
4.7. Вимірювання і контроль зубчастих коліс і передач [50]
Прилади для технологічного контролю використовують в цехових умовах для контролю виробів і налагодження зубообробному обладнання. Типи, основні параметри і норми точності приладів для вимірювання циліндричних зубчастих коліс регламентовані ГОСТом 5368 - 81, ГОСТом 8137 - 81, ГОСТом 10387 - 81 та ін
Кінематичну похибку зубчастих коліс 1 і 6 в однопрофільних зачепленні F ¢ ir контролюють, наприклад, на приладах зі скляними лімбах 2 і 5, що мають радіальні штрихи з ціною поділки 2 ¢ (схема I на рис. 4.49). Переміщення штрихів викликає імпульси струму в фотодиодах. Зрушення фаз імпульсів, викликаний кінематичної похибкою в зубчастій парі і неузгодженістю обертання зубчастих коліс, визначається фазометром 3 та записується самописцем 4.
Щодо прості прилади для вимірювань коливань міжцентрової відстані F "ir за оборот в двухпрофільном зачепленні (схема II на рис. 4.49). Ці прилади мають оправлення 4 і 5, на які насаджують контрольоване 6 і зразкове 3 зубчасті колеса. Оправлення 5 розташована на нерухомій каретці 7, положення якої може змінюватися лише за налаштування на необхідну міжцентрова відстань. Оправлення 4 розташована на рухомий каретці 2, яка підтискається пружиною так, що зубчаста пара 3 - 6 знаходиться завжди в щільному контакті з обох боків профілів зубів. При обертанні зубчастої пари внаслідок неточностей її виготовлення вимірювальне міжосьова відстань змінюється, що фіксується відліковим або реєструючим приладом 1.
Накопичену похибка кроку і k кроків можна контролювати на приладі (схема III на рис. 4.49), в якому при безперервному обертанні зубчастого колеса 5 в електронний блок 2 надходять імпульси від кругового фотоелекріческого перетворювача 4, встановленого на одній осі з вимірювальним колесом, і від лінійного фотоелектричного перетворювача 1, видає командний імпульс при заданому положенні зуба (при максимумі відбитого потоку). При появі командного імпульсу самописець 3 фіксує ординату похибок кроку колеса.
Радіальне биття зубчастого вінця Frr колеса 1 контролюють на біеніемерах (схема IV на рис. 4.49), що мають модульні профільні
I | II | III | ||||||||||||||||||
| МЦ-160М, МЦ-400Б, Е, МЦ-320м, МЦМ-630, БВ-5050, БВ-5029, БВ-5077 | БВ-5015, БВ-5028, ШМ-1-, 2, БВ-5056, БВ-5035, БВ-5059 | ||||||||||||||||||
IV | V | VI | ||||||||||||||||||
| 25003, Б-10М, БВ-5015, БВ-5050, БВ-5060, БВ-5061 | Б У-4047-25, БВ-5045, БВ-5046, 22202, БВ-5015, БВ-5081, БВ-5082 та ін | МЕК-2, КН-6М, КН-7 |
Коливання довжини загальної нормалі L - FvWr контролюють на приладах, що мають два наконечники з паралельними площинами і залежно від необхідної точності відліковий нониусной, мікрометричні 2 або індикаторний пристрій. Нормалемери мікрометричні (схема V на рис. 4.49) мають тарілчасті вимірювальні наконечники, що вводяться в западини зубів колеса 1. Особливістю контролю довжини загальної нормалі є відсутність необхідності базування колеса по його осі.
Похибка обкату Fcr зазвичай виявляють на кінематомірів, що дозволяють встановити неузгодженість руху ріжучого інструменту (фрези) та заготовки зубчастого колеса (стола верстата) при зубообразованіі. Так, на зубофрезерних верстатах (схема VI на рис. 4.49) перетворювач 1 видає імпульси, що характеризують кутове положення столу верстата, а перетворювач 2 - імпульси, що характеризують положення шпинделя. Блок 3 служить для приведення масштабу імпульсів високошвидкісного ланки 2 до масштабу тихохідного ланки 1 верстата. Після порівняння імпульсів у пристрої 4 різниця фаз, пропорційна похибки кутового положення шпинделя відносно стола верстата, реєструється самописцем 5.
Плавність роботи зубчастих коліс можна виявляти при контролі місцевої кінематичної похибки, циклічної похибки колеса і передачі на приладах для вимірювання кінематичної точності, зокрема шляхом визначення її гармонійних складових на автоматичних аналізаторах. За допомогою поелементних методів контролюють крок зачеплення, похибка профілю та відхилення кроку. Крок зачеплення fpbr контролюють за допомогою накладних крокоміром (схема I на рис. 4.50), забезпечених тангенціальними наконечниками 2 і 3 та додатковим (підтримує) наконечником 1. Вимірювальний наконечник 3 підвішений на плоских пружинах. При контролі зубчастого вінця переміщення вимірювального наконечника фіксується вбудованим відліковим пристроєм 4. При налаштуванні положення наконечників 1 і 2 можна змінювати за допомогою гвинтів 5.
Похибка профілю ffr виявляють на евольвентомерах, зіставляючи теоретичну евольвенти, відтворну приладом, з реальною евольвенти контрольованого зуба. У приладі типу БВ-5062 (схема II на рис. 4.50) теоретична евольвенти відтворюється зразковим сектором 1, розташованим на одній осі з контрольованим колесом. Як лінійка обкату служить каретка 3, яка пов'язана з сектором з допомогою охоплює його стрічки 2. Радіус основного кола міняють при налаштуванні шляхом зміни положення упору 4, що знаходиться на вимірювальній каретці 5. Мікроскоп 6 служить для настройки приладу на необхідний радіус основного кола.
Для вимірювання відхилень кроку fptr від середнього значення по колесу використовують накладні прилади (схема III на рис. 4.50), за допомогою яких крок Рt визначають як відстань між базовим 2 і вимірювальним 3 наконечниками. На вимірюваному колесі 4 прилад встановлюють за наполегливою наконечникам 1 і 5. При вимірі порівнюють значення всіх кроків з початковим кроком, відраховується за шкалою головки 6.
5 |
4 |
1 |
2 |
3 |
r |
R b = const 4 5 6 |
3 2 1 |
I | II | |||||||
| 21802, 21702, 21703, БВ-5070 та ін | КЕУМ, БВ-5057, БВ-5062, БВ-5078 та ін | |||||||
III | ||||||||
ШМ-1, БВ-5079 |
Поворот зубчастого колеса на осьовий крок здійснюють за допомогою мікроскопа з оптичним диском. При вимірюванні відхилень від напрямку зуба Fbr прямозубих коліс на приладах, у яких існує каретка з точними поздовжніми направляючими, вимірювальний наконечник переміщують вздовж осі вимірюваного колеса. При контролі косозубих коліс гвинтову лінію, відтворну в приладі в результаті повороту колеса і подовжнього переміщення вимірювального вузла або, як у ходомере БВ-5034 (схема II на рис. 4.51), поздовжнього переміщення стола 1 разом з перевіряється колесом 4, порівнюють з реальною евольвенти . Узгодженість поступального і обертального рухів колеса забезпечують за допомогою похилої лінійки і охоплюють шпиндель 3 стрічок, кінці яких закріплені на поперечної каретки 2. Вимірювальний вузол
I | II | ||||||||||||||
| БВ-5028 та ін | БВ-5034, БВ-5075 та ін |
5, встановлений на станині, можна налаштовувати на необхідні параметри зубчастого колеса. Мікроскоп 6 дозволяє здійснювати точну установку лінійки 7 на заданий угол.Боковой зазор між непрацюючими профілями зубів у зібраній передачі можна контролювати за допомогою набору щупів, c допомогою закладеної між зубами свинцевої зволікання або методом люфтованія. В останньому випадку одне з зубчастих коліс повільно обертається, а друге при цьому здійснює високочастотні коливання, амплітуда яких характеризує бічний зазор. У реальному зубчастому колесі бічний зазор утворюється в результаті утонения зуба при зміщенні вихідного ріжучого контуру ЕHr на зуб колеса. Цей зсув вимірюють на тангенціальних зубомерах (схема I на рис. 4.52), що мають два базових щупа 1 і 2, вимірювальний наконечник 3 та показує прилад 4. Перед вимірюванням зубомер налаштовують на заданий модуль по ролику розрахункового діаметра.
За допомогою тангенціальних зубомеров контролюють, по суті, положення постійної хорди а - а щодо лінії виступів b - b, а за допомогою кромок зубомеров вимірюють товщину зуба S (параметр Ecr) на заданій відстані h від лінії виступів (схема II на рис. 4.52) . Ці зубомери мають ноніусних, мікрометричні або індикаторні відлікові пристрою. У ноніусних штангензубомерах необхідне положення постійної хорди, тобто координуючої губки 4, встановлюють з
E H |
b |
b |
a |
a |
S c |
1 |
2 |
4 3 |
S C |
h |
5 |
1 4 3 2 |
3 4 5 6 7 |
II |
b a |
b a |
1 a |
E H |
2 |
S c |
4 3 |
I |
| НЦ 23500 - 23800 | БВ-5016к, БВ-5017к, ШЗ-18, ШЗ-36, ЗІМ-16 і ін |
Існують різні прилади для контролю циліндричних, конічних, черв'ячних, черв'яків і інших коліс станкового і накладного типів, поділюваних за класами точності на три групи: А, АВ і В. Інтенсивно розробляються напівавтоматичні і автоматичні прилади, у тому числі прилади активного контролю, що використовують екранну оптику, цифровий відлік, запис результатів вимірювання, машинну обробку результатів, управління виробничим процесом і т. п.
4.8. Вимірювання за допомогою цифрових вимірювальних приладів
В даний час розширюється розробка і застосування в промисловості електронних цифрових обчислювальних машин, в яких необхідні дії виконуються електронними лічильниками і керуючими схемами.
За своїми експлуатаційними властивостями цифрові електровимірювальні прилади характеризуються високою точністю вимірювання, швидкодією, автоматизацією вимірювання та зручністю реєстрації результатів вимірювання.
Цифрове відліковий пристрій може бути надано до засобу вимірювання, що містить електронну частину приладу, або як комплекс вимірювальних засобів може бути безпосередньо надано (вбудовано) у металообробне обладнання.
Наприклад [35], до мікроскопа інструментальному БМІ-1Ц надано пристрій цифрове перерахункових УЦП-1м. Електронна частина приладу буде містити перетворювач електронно-оптичний в координатах Х і У і пристрій цифрове перерахункових.
Перетворювач електронно-оптичний призначений для перетворення реверсивних лінійних переміщень в пропорційне їм число електричних імпульсів. Перетворювач включає в себе механічну та електронно-оптичну системи. Основою механічної системи є вузол мікровінта з приводом для обертання. Мікровінта перетворює кругове обертання в поздовжнє переміщення.
Цифрове відліковий пристрій (ЦОУ) для оснащення універсальних металорізальних верстатів (рис. 4.53) контролює переміщення робочих органів верстата (супорта, каретки, столу і т. п.) і в наочній формі на цифровому табло показує їх положення щодо обраного початку координат. Відповідно до свідчень на цифровому табло верстатник обробляє деталь до отримання потрібних розмірів, керуючи верстатом, як і зазвичай, вручну.
Цифровий пристрій встановлено на відлікові барабани мікрометричних гвинтів поперечного і поздовжнього переміщення стола. Воно складається (рис. 4.53) з круглого реостатного перетворювача 1, механізму 2 скидання показань на нуль, лічильника 3 переміщень цілих міліметрів і цифрового приладу 4, по якому відраховують частки міліметра з дискретністю 0,001 мм. Для перетворення лінійних переміщень в цифровий відлік
служить дротяний реостат опором 10 кому, вибраний з розрахунку, що кожні 10 Ом відповідають 0,001 мм лінійного переміщення при кроці мікрометричного гвинта 1 мм. В якості цифрового відлікового пристрою узятий цифровий килоомметра, серійно випускається вітчизняною промисловістю.
Пристрій цифрове перерахункових (рис. 4.54) включає в себе пристрій управління, реверсивний лічильник, лічильник, перемикачі і джерела живлення. Програмування будь-якого пятіразрядного десяткового числа зі знаками (+) або (-) здійснюється за допомогою перемикача "Програмування". При натисканні кнопки "Запис" імпульси з пристрою керування надходять одночасно на входи лічильника і реверсивного лічильника і через дешифратор на табло индицируются числа. За допомогою обертання приводу механічної системи передаються числа з оптико-механічного перетворювача. Цифрове відліковий пристрій (ЦОУ) для оснащення універсальних металорізальних верстатів (рис. 4.55) контролює переміщення робочих органів верстата (супорта, каретки, столу і т. п.) і в наочній формі на цифровому табло показує їх положення щодо обраного початку координат. Відповідно до свідчень на цифровому табло верстатник обробляє деталь до отримання потрібних розмірів, керуючи верстатом, як і зазвичай, вручну.
Цифрове відліковий пристрій на базі випускаються датчиків і електронних блоків має основні характеристики: ціна відліку від 0,001 до 0,02 мм; найбільша швидкість контрольованого переміщення при ціні відліку 0,01 - 15 м / хв при ціні відліку 0,001 мм - 1,5 м / хв; найбільша величина контрольованого переміщення не більше 1 м при ціні відліку 0,001 мм і не більше 10 м при ціні відліку 0,01 мм.
4.9. Вимірювання електричних і магнітних величин
За системою SI одиниці електричних і магнітних величин, застосовувані в Російській Федерації, наведені в табл. 4.1.
Таблиця 4.1
Одиниці електричних і магнітних величин
| Величина | Найменування | Позначення | Величина | Найменування | Позначення | ||
| Укр-ське | Між-дуна-род-ное | Укр-ське | Між-дуна-род-ное | ||||
| Сила електричного струму, Магніторушійна сила | Ампер | А | А | Електричок постійна, абсолютна діелектрична проникність, діелектрична сприйнятливість | Фарад на метр | Ф / м | F / m |
| Лінійна пліт-ність електричного струму, напруженість магнітного поля | Ампер на метр | А / м | A / m | Магнітна індукція, напруженість магнітного поля | Тесла | Тл | Т |
| Поверхнева щільність електричного струму | Ампер на ква-дратний метр | А/м2 | А/m2 | Індуктивність, взаємна індуктивність, магнітна провідність | Генрі | Гн | Н |
| Магнітний момент | Ампер-квадратний метр | А × м2 | А × m2 | Магнітне опір | Генрі в мі-нус перший ступеня-ні | Гн-1 | Н-1 |
| Кількість електрики, електричний заряд, потік електричного зміщення | Кулон | Кл | З | Магнітна константа, абсолютна магнітна проникність | Генрі на метр | Гн / м | Н / m |
| Лінійна пліт-ність елект-тичного заряду | Кулон на метр | Кл / м | С / m | Магнітний потік | Вебер | Вб | Wb |
| Електричне зміщення, поверхнева щільність електричного заряду | Кулон на квадратний метр | Кл/м2 | С/m2 | Електрична провідність | Сі-менс | См | S |
| Густина електричного заряду | Кулон на куб. метр | Кл/м3 | С/m3 | Питома електрична провідність | Сі- менс на метр | См / м | S / m |
| Момент електричного диполя | Кулон-метр | Кл × м | З × m | Електричний опір | Ом | Ом | W |
| Напруга, потенціал, раз-ність потен-ріалів, електро-рушійна сила | Вольт | У | V | Питомий електричний опір | Ом-метр | Ом × м | W × m |
| Напруженість електричного поля | Вольт на метр | В / м | V / m | Потужність: активна, реактивна, повна | Ват | Вт | W |
| Електрична ємність | Фарад | Ф | F | ||||
4.9.1. Електромеханічні вимірювальні прилади
Прилади магнітоелектричної системи (рис. 4.56) можуть працювати на постійному струмі, а при використанні додаткових перетворень - і на змінному.| Найменування | Прилади магнітно-електричної системи | Електродинамічні прилади | Електродинамічні прилади (з замкнутої магнітної ланцюгом) | |||||||
|
ЕМ |
QM |
QM |
x a |
S |
N |
i e |
x a |
i e2 |
i e1 |
x a |
i e1 |
i e2 |
x a |
i e |
x a |
i e |
x a |
w e |
Принципова схема
QM - прилади для виміру відносин [46]
В однорідному магнітному полі постійного магніту розташовується на опорах рамка, що може обертатися. Струм, що проходить через витки цієї рамки, має напрямок, перпендикулярний напрямку магнітних ліній поля.
Електричний струм подається через два пружинних елемента (стрічкові розтяжки, спіральні пружини), які одночасно створюють механічний протидіючий момент.
Електродинамічні вимірювальні прилади засновані на принципі взаємодії струмів. Вони можуть застосовуватися для вимірювань як на змінному, так і на постійному струмі.
Електродинамічний вимірювальний прилад з замкнутою магнітної ланцюгом (див. рис. 4.56) працює як прилад магнітоелектричної системи, але з тією різницею, що замість постійного магніту використовується електромагніт.
У електродинамічному вимірювальному приладі без феромагнітного сердечника (див. рис. 4.56) повністю відсутні феромагнітні елементи. При порушенні магнітного поля принцип дії приладу такий же, як у приладу з замкнутої магнітної ланцюгом.
Електромагнітні вимірювальні прилади з рухомим магнітом також засновані на магнітоелектричним принципі. Вони можуть бути використані для вимірювань на постійному струмі, а з додатковими перетворювачами - і на змінному струмі. У полі нерухомої котушки знаходиться обертається постійний магніт (магнітна голка, диск або порожнистий циліндр), який встановлюється в напрямку постійного зовнішнього поля (наприклад, магнітного поля Землі). При проходженні струму магніт, що обертається переміщається в напрямку результуючого поля, утвореного напрямних полем і полем котушки.
Прилад з рухомим магнітом є звернений вимірювальний прилад магнітоелектричної системи, тобто котушка і постійний магніт міняються місцями.
Електровимірювальні прилади індукційної системи можуть застосовуватися тільки для вимірювань на змінному струмі. В обертовому магнітному полі розташовується рухливий замкнутий провідник (барабан або диск). У результаті наведення вихрових струмів рухливий провідник переміщається в напрямку обертового магнітного поля.
Електромагнітні вимірювальні прилади (див. рис. 4.56) можуть бути використані для вимірювань на постійному і змінному струмі. Найважливішими типами цих приладів є прилади з плоскою і круглої котушками. У приладах з плоскою котушкою всередині котушки збудження знаходиться ексцентрично закріплена рухома феромагнітна пластина, вісь повороту якої розташована перпендикулярно осі котушки збудження. При протіканні електричного струму платівка під впливом електромагнітного поля переміщається в котушці, тобто повертається навколо своєї осі. У приладі з круглої котушкою всередині котушки порушення перебувають нерухома і рухома феромагнітні платівки, причому вісь повороту останньої паралельна осі котушки. При протіканні електричного струму платівки намагнічуються в однаковому напрямку і, отже, відштовхуються один від одного. При цьому рухлива платівка повертається в напрямку меншою ширини нерухомої платівки.
Електростатичні вимірювальні прилади можуть бути використані для вимірювань як на постійному, так і на змінному струмі. Вимірювальний прилад складається з конденсатора, електроди якого закріплені так, що є можливість, прикладаючи електрична напруга, отримувати механічне зусилля, що діє в напрямку збільшення ємності. Зміна ємності може здійснюватися шляхом зміни якої ефективної площі електродів, або відстані між електродами.
4.9.2. Електротермічні вимірювальні прилади
Вимірювальні прилади з нагрівається ниткою (див. рис. 4.56) дозволяють проводити вимірювання на постійному або змінному струмі. Залежно від сили струму, що протікає через дріт, змінюються температура і довжина провідника.
Біметалічні прилади також засновані на термоелектричному принципі вимірювання. Вони використовуються для вимірювань на постійному і змінному струмі. Біметалева смужка нагрівається безпосередньо вимірюваним струмом або за допомогою ізольованої обмотки. Спіралевидна, укріплена з одного боку біметалічна смужка нагрівається і викривляється в залежності від сили вимірюваного струму внаслідок різних коефіцієнтів лінійного розширення обох металів.
Термоелектричні перетворювачі можуть бути використані для вимірювань на постійному і змінному струмі. Вони найбільш переважні для вимірювань високочастотних струмів. Термоелектричні перетворювачі складаються з дроту, яка нагрівається протікає через неї вимірюваним струмом. У середині дроту поміщається вимірювальний ділянка термоелемента. Виникаюча термоЕРС пропорційна температурі нагріву.
4.10. Інформаційно-вимірювальні системи і вимірювально-обчислювальні комплекси
Більшість вимірювальних і управляючих систем, а також вимірювально-обчислювальних комплексів, що використовуються в управлінні технологічними процесами і в наукових дослідженнях, оперують інформацією, представленої у вигляді кодів (чисел). Ця обставина обумовила швидкий розвиток вимірювальних перетворювачів різних фізичних величин і перш за все електричних в коди, що забезпечує можливість безпосереднього зв'язку обчислювальної або керуючої цифрової машини з об'єктами вимірювання або управління. Ці пристрої отримали назву аналого-цифрових вимірювальних перетворювачів (АЦП).
Майже одночасно з АЦП з'явилися цифрові вимірювальні прилади (ЦІП), що відрізняються від АЦП тим, що вони мають відліковий пристрій і виробляють вимірювальну інформацію в зручній для сприйняття людиною формі десяткових чисел. Грань між ЦІП і АЦП у великій мірі умовна, тому що для розширення функціональних можливостей у ЦІП зазвичай передбачають висновок електричних сигналів (коду), відповідних показанню відлікового пристрою, а в АЦП передбачають найпростіше відліковий пристрій для забезпечення можливості візуального зчитування його вихідного коду.
Цифрові вимірювальні пристрої є одним з найбільш досконалих засобів вимірювань. Найбільшого поширення набули ЦИУ для вимірювання електричних величин (напруги, сили струму та опору), а також ЦИУ для вимірювання часових параметрів сигналів (частоти, періоду, тривалості імпульсів і інтервалів часу). Останнім часом широкого поширення набувають ЦИУ для вимірювання неелектричних величин (наприклад, температури), засновані на використанні ЦИУ для вимірювання електричних величин в поєднанні з первинним вимірювальним перетворювачем. ЦИУ є єдиним видом вимірювальних пристроїв, які забезпечують безпосередній зв'язок і передачу вимірювальної інформації від об'єкта вимірювань в обчислювальну або керуючу обчислювальну машину при автоматизації виробничих процесів і наукових досліджень.
Масовість випускається, при все зростаючих вимогах до її якості в умовах економічної оптимізації привела до необхідності створення автоматичних систем управління технологічним процесом (АСУТП). При цьому необхідно відзначити, що в умовах АСУТП контроль органічно пов'язаний з процесом виробництва і є його невід'ємною частиною.
Координатно-вимірювальні машини [35]. Сучасна техніка обробки відрізняється високими швидкостями і продуктивністю. Щоб привести у відповідність темпи виробництва і контролю, розроблені вимірювальні машини. Координатно-вимірювальні машини призначені в першу чергу для контролю, а не для вирішення певних завдань вимірювання.
Останнім часом розширено завдання контролю. Якщо раніше при контролі виявляли лише брак виробів за розмірами, то в даний час з'являється можливість визначити і виключити джерело помилок. В освоєнні нового виробу при серійному виробництві необхідний своєчасний, швидкий і бездоганний контроль першого вироби, що здійснюється на координатно-вимірювальних машинах.
Відмітною ознакою координатно-вимірювальних машин є можливість дати вимірювання координатних значень у цифровій формі. Координатно-вимірювальні машини виготовляють трьох-і двохкоординатним. На трикоординатних (див. рис. 4.57) можна проводити вимірювання в трьох координатах: X, Y, Z; двухкоординатні машини служать для вимірювання у двох взаємно перпендикулярних напрямках одній площині - координати Х і Y.
Вимірювальна частина машини являє собою перетворювач переміщення вимірювальної головки, що несе вимірювальний наконечник, в цифровий код. Число, зафіксоване лічильником на цифровому табло, відповідає відстані, на яке переміщається шкала між двома послідовними вимірюваннями.
Перевага координатно-вимірювальної машини перед звичайними засобами вимірювань полягає в тому, що вона дозволяє проводити вимірювання деталей складної геометричної форми. Машини постачають спеціально розробленими ЕОМ, за допомогою яких порівнюють дійсні розміри і взаємне розташування поверхонь з теоретичним.
Отримані відхилення реєструються у графічній або закодованій формі і можуть бути використані для внесення автоматичної корекції через ЕОМ в числове програмне управління на оброблюваному верстаті.
Створення нових трикоординатних вимірювальних приладів йде по лінії удосконалення універсальних мікроскопів.
Зростаюче виробництво мікропроцесорів і мікроЕОМ створило передумови для широкого використання їх у системах програмного керування рухом автоматизованих пристроїв - металообробних верстатів, роботів-маніпуляторів, креслярсько-графічних автоматів, оперативних пристроїв візуального відображення інформації.
4.11. Автоматизація системи контролю та управління збором даних
4.11.1. Завдання і різновиди автоматизованих систем контролю
Питання автоматизації систем контролю відносяться до Автометрія, в якій розглядаються теоретичні основи проектування автоматичних вимірювальних та контрольних і вимірювально-інформаційних систем.
Автоматизована система метрологічного забезпечення (АСМО) призначена для вирішення основних завдань управління виробничо-господарською діяльністю метрологічної служби підприємства, пов'язаних з плануванням, контролем, аналізом і регулюванням метрологічної інформації.
АСМО базується на економіко-математичних методах із застосуванням обчислювальної техніки і може розглядатися як підсистема управління якістю продукції, яка включає технічне, програмне, інформаційне та організаційне забезпечення.
Автоматизована система метрологічного забезпечення здійснює: метрологічний контроль за вимірювальною технікою (повний облік засобів вимірювань підприємства; перспективне і оперативне планування повірочної діяльності; аналіз метрологічних характеристик засобів вимірювань; атестацію нестандартизованих засобів вимірювань; контроль, у тому числі інспекційний, за виконанням повірочних робіт); метрологічний контроль за випробувальної технікою (облік та атестація засобів випробувань; планування і контроль виконання цих планів, проведення профілактичних та регламентних робіт тощо); метрологічну експертизу технічної документації (облік технічної документації, планування і контроль виконання планів проведення експертиз; інформаційне забезпечення при проведенні експертиз технічної та технологічної документації); координацію і планування метрологічної діяльності (календарне і перспективне планування повіреної діяльності; контроль виконання вимог нормативно-технічної документації при виготовленні виробів; розробка заходів з метрологічного забезпечення виробництва; господарсько-технічна діяльність з метрологічного забезпечення та ін); регулювання діяльності з метрологічного забезпечення виробництва (здійснення вироблення управляючих впливів на окремі підрозділи підприємства з метою ефективного впровадження планів метрологічного забезпечення).
На виробництві все більше приділяється уваги механізації і автоматизації процесу вимірювання, що пов'язано з автоматизацією процесів виробництва сучасних машин, підвищенням їх якості, точності і надійності та скороченням часу і вартості вимірювань і контролю. Контроль виробів здійснюється як найпростішими пристроями і пристосуваннями, так і складними контрольними автоматами.
За ступенем автоматизації пристрої контролю розмірів ділять на механізовані пристосування, напівавтоматичні системи, автоматичні системи та які самостійно (адаптивні) автоматичні системи.
Механізовані пристосування застосовують для одночасної або послідовної перевірки декількох розмірів складних деталей в серійному і масовому виробництві. У таких пристроях операцію завантаження і знімання деталей здійснюють вручну.
У напівавтоматичних системах частина операцій (завантаження, а іноді і сортування) виконуються вручну, а всі інші операції автоматично.
Контрольні автоматичні системи (всі процеси повністю автоматизовані) широко застосовують для контролю деталей за різними параметрами (розмірами, твердості, масі, складним профілями у вигляді різьблення або зубів коліс і т. п.). Контрольні автомати дорогі і складні; їх в основному застосовують для сортування деталей масового виробництва (поршневих пальців, кульок і роликів та ін) за розмірами на групи при селективній зборці, при 100%-ном контролі найбільш відповідальних деталей, коли пропуск бракованих деталей неприпустимий або коли в технологічному процесі вибірковий контроль неприпустимий.
Прогресивним напрямом є створення універсальних автоматів з типових вузлів для контролю однотипних деталей. Наприклад, автомат БВ-8008 для контролю поршневих пальців діаметром від 15 до 60 мм; автомат БВ-8009 для контролю поршнів різних двигунів діаметром від 15 до 60 мм; автомат БВ-8010 для контролю прямозубих і косозубих коліс з діаметрами від 80 до 320 мм і модулями 1 - 7 мм. Автомат СК-9 для контролю бічного і радіального биття зібраного радіального кулькового підшипника з розмірами підшипників: по внутрішньому діаметру від 35 до 85 мм, зовнішньому від 80 до 150 мм і по висоті від 18 до 31 мм. Продуктивність контрольного автомата для поршневих пальців - до 700 шт / год, а автомата для підшипників - 600 шт / год
По впливу на технологічний процес розрізняють пасивні та активні автоматичні засоби контролю розмірів.
Пасивні фіксують розміри деталей, розділяючи їх на придатні і шлюб (поправний і непоправний), або сортують їх на групи при селективній зборці. На хід технологічного процесу вони не впливають.
Активні засоби контролюють розміри деталей у процесі виготовлення і за результатами контролю подають команду на зміну режимів обробки, на включення верстата або на підналагодження системи СНІД (верстат - пристосування - інструмент - деталь). Наявність зворотного зв'язку дозволяє за результатами контролю керувати точністю технологічного процесу і тим самим попереджувати появу браку. Заводи зацікавлені в пристроях для автоматичного контролю деталей в процесі їх обробки, щоб попередити шлюб і полегшити роботу робітників і контролерів. Вітчизняними заводами випускаються вимірювальні пристрої для активного контролю.
У самоналагоджувальних автоматичних системах автоматизовані цикли роботи і налаштування, а також системи, які можуть пристосовуватися до мінливих умов середовища.
4.11.2. Вимірювальні перетворювачі
Дія автоматизованих пристосувань, контрольних автоматів і засобів активного контролю грунтується на використанні різного роду вимірювальних перетворювачів. Вимірювальний перетворювач як складовий елемент входить в датчик, який є самостійним пристроєм, і крім перетворювача містить вимірювальний шток, важіль з наконечником, що передає механізм, елементи настроювання й ін Інші елементи електричного кола вимірювальної (контрольної) системи конструктивно оформляють у вигляді окремого пристрою (електронного блоку, або електронного реле). Найбільшого поширення набули вимірювальні (контрольні) засоби з електроконтактними, пневмоелектроконтактнимі, індуктивними, ємнісними, фотоелектричними, радіоізотопними, Механотрон, реостатним, фазовими, струнними, вібраційно-частотними та електронними перетворювачами.
Основні вимоги до вимірювальних перетворювачів:
1. Об'єктивність і достовірність вимірювальної інформації про стан контрольованого об'єкта.
2. Вимірювальна інформація про стан контрольованої фізичної величини повинна видаватися без будь-яких проміжних перетворень безпосередньо в ЕОМ, статаналізатор, ціфропечатающіе машини та інші подібні пристрої.
3. Вимірювальна система повинна забезпечувати можливість швидкої перебудови при зміні технологічних процесів і бути уніфікованою при вимірюванні різних фізичних параметрів при незначних змінах окремих блоків цієї системи.
4. Вимірювальна система повинна мати метрологічні характеристики, що забезпечують необхідну точність і надійність контролю і високу продуктивність.
5. Вимірювальна система повинна мати можливість дистанційного вимірювання, бути простою і надійною при настроювання та перевірку в умовах експлуатації.
Прилади з електроконтактними перетворювачами [50]. У електроконтактних перетворювачах певна зміна контрольованої величини призводить до замикання (розмикання) електричних контактів ланцюгів, керуючих виконавчими елементами системи.
Розрізняють перетворювачі граничні - для контролю граничних розмірів деталей і амплітудні - для контролю амплітуди змінюється лінійного параметра (відхилення форми, похибки положення і т. п.). У граничному електроконтактной перетворювачі (ріс.4.58, а і б) зміна контрольованої величини передається через вимірювальний шток 1 до рухомих контактів 2 і 6, розташованим на важелі 4. Регульовані контакти 3 і 5, один з яких працює на розмикання, інший - на замикання, налаштовують за допомогою мікрометричних пар зі шкальними пристроями. У амплитудном перетворювачі (рис. 4.58, в) вимірювальний стержень 1 жорстко скріплений з фрикційної пластиною 2, яка підтискається пластинчастої пружиною до підшипника 3. Підшипник несе на собі важіль 4 з контактами 5 і 9. Механічний контакт 8 є нерегульованим і служить упором, який при ході стрижня вниз і прослизанні фрикційної пари 2 - 3 забезпечує установку нуля відліку
контрольованої амплітуди. При ході стрижня 1 нагору і неприпустимо великій амплітуді електричні контакти 5 і 6 замикаються. Важіль 10 з гвинтом 7 служить для арретірованія вимірювального стрижня. При необхідності відліку розміру може бути встановлена індикаторна головка 11.
Недоліками приладів з електроконтактними перетворювачами є низька надійність контактних пар, невисока чутливість, мале число команд, малі межі вимірювань, релейний (граничний) вихідний сигнал.
Прилади з пневмоелектроконтактнимі перетворювачами [50]. У пневматичних приладах використовують залежність або між площею S поздовжнього каналу повітропроводу і витратою стиснутого повітря при постійному тиску р (ротаметри), або між тиском р і витратою Q повітря (манометри). При безконтактному методі вимірювання як заслінки вимірювального сопла 1 використовують контрольоване виріб D (рис. 4.59, а). Зміна висоти виробу приводить до зміни зазору D і, отже, контрольованого витрати повітря, що протікає через вимірювальний сопло діаметром d2. При контактних методах (рис. 4.59, б-д) з вимірювальним наконечником 3 механічно пов'язана заслінка 2, яка також може мати конусну, параболічну або сферичну форму.
Для збільшення діапазону вимірювання застосовують ежекторні сопла (рис. 4.59, е), в яких повітря під постійним тиском р надходить у вимірювальний сопло діаметром d2 через вхідний сопло діаметром d1. При цьому в порожнині A виникає розрядка.
Для автоматизації процесу вимірювання випускають відлікової-командні пристрої (рис. 4.60) з сильфонні перетворювачами, в яких стиснуте повітря під тиском 0,32 - 0,6 МПа після фільтра-стабілізатора 1 через вхідні сопла 19, 20 і 18 надходить у сильфони 3 та
17. Сільфон 17 з'єднаний з соплом 21 вимірювального вузла, а сільфон 3 - з конфігураційні соплом 2 протитиску. Сильфони пов'язані між собою планкою 15, підвішеною на плоских пружинах 4 і 16. Планка 15 через важільно-зубчасту передачу пов'язана з відліковим пристроєм 9 і електричними контактами 5 і 6, 14 і 13. Контакти, підвішені на пружинах 12, налаштовують за допомогою кулачків 11. За їх положенню і положенню покажчиків 7 і 10 визначають інтервал налаштування. При вимірі розміру деталі тиск у сильфоні 17 змінюється, планка 15 зміщується в бік, замикаючи контакти 5 і 6. Контакти 8 служать для виключення спрацьовування при знятті сопла 21.
Пневматичні прилади надійні, мають вимірювальні сопла малих розмірів, які можуть бути розташовані у важкодоступних місцях і легко дозволяють отримувати суму і різницю сигналів .. Недоліки пневматичних приладів - інерційність, невеликий діапазон показань, необхідність складної очищення і підготовки повітря.
Струнні перетворювачі [16]. У зв'язку з розвитком цифрової обчислювальної техніки, створенням електронних цифрових керуючих машин найбільш зручною формою представлення інформації від перетворювача є кодо-імпульсна, а також частотно-імпульсна модуляція. До таких перетворювачів відноситься струнний.
У струнних перетворювачах вимірювана величина перетворюється у зміну частоти власних поперечних коливань тонкої натягнутої струни
де F0 - сила натягу струни; r - щільність матеріалу струни; S - площа поперечного перерізу струни; mс - маса струни; l - довжина струни.
Струна, поміщена в полі постійних магнітів, і електронний підсилювач з позитивним зворотним зв'язком утворюють автогенератор, в якому підтримуються незгасаючі коливання струни на частоті, що дорівнює частоті її власних коливань. Впливаючи на натяг, деформацію або масу mc струни, можна побудувати уніфіковану систему перетворювачів, що дозволяють вимірювати різні фізичні величини: лінійне і кутове переміщення, температуру, тиск, силу, електричний струм і напруга та ін
Розроблено кілька уніфікованих конструкцій перетворювачів, на базі яких створена уніфікована інформаційно-вимірювальна
система метрологічного забезпечення (УІІС МО) технологічних процесів (рис. 4.61), за допомогою якої можна вимірювати різні фізичні величини. На схемі - інформаційно-вимірю-тільні перетворювачі (ПІП): L - лінійних переміщень в частоту; t - температури, р - тиску; ЕП - електронний перетворювач.
|
Основні недоліки однострунний перетворювачів - нелінійність характеристики і зміщення початкового рівня - можуть бути істотно зменшені, якщо використовувати диференціальну схему. При цьому вимірюваний параметр впливає на дві ідентичні струни, збільшуючи частоту однієї з них і зменшуючи частоту інший.
Стосовно до вимірювання переміщень, деформацій і розмірів слід відзначити ряд безсумнівних переваг цифрової інформаційно-вимірювальної системи зі струнними перетворювачами в порівнянні з існуючими пристроями аналогічного призначення:
можливість перетворення сигналу в цифрову і аналогову форму;
інформація про вимірювану величину видається у формі коду, що дозволяє стикувати розглянуті пристрої з ЕОМ і статаналізаторамі і на цій базі здійснювати автоматизацію управління технологічними процесами;
високу швидкодію системи і можливість повірки метрологічних характеристик пристрою з використанням зразкового електрон цифрова індикація результатів вимірювання в натуральних одиницях підвищує продуктивність контрольних операцій, об'єктивність контролю і дає можливість за допомогою ціфропечатающіх пристроїв документально реєструвати результати вимірювання;
но-рахункового частотоміра, що є в даний час широко поширеним і доступним приладом;
отримана у формі коду інформація про вимірюваної фізичної величини без спотворень може передаватися на значні відстані.
Прилади з індуктивними перетворювачами [50]. У цих приладах зміна контрольованої величини перетворюється у зміну індуктивності електричного кола відповідно до формули
де L і w - індуктивність і число витків котушки; li, Si, і mi - зазор, площа і магнітна проникність ділянки i магнітного ланцюга (у тому числі феромагнітних і повітряних ділянок).
Конструкції індуктивних перетворювачів засновані на залежності індуктивності від зазору l між рухомою частиною (якорем, пов'язаним з вимірювальним наконечником) і сердечником (рис. 4.64, а, в) або від площі S їх перекриття (рис. 4.64, б, г). Індуктивні перетворювачі можуть бути побудовані за простою (рис. 4.64, а, б) або диференціальної (ріс.4.64, в, г) схемою. Перетворювачі із змінним зазором використовують для контролю малих переміщень (0,1 - 5000 мкм); перетворювачі зі змінною площею, що мають велику лінійність характеристики, використовують для контролю переміщень 0,5 - 15 мм.
Перевагами індуктивних датчиків є - малі габарити, аналогова форма видається сигналу, високе передаточне відношення і широкі можливості з передачі, запам'ятовування і проведення різного роду математичних перетворень і обчислень на ЕОМ. Однак ці прилади складніше і дорожче електроконтактних і пневматичних.
Прилади з ємнісними перетворювачами [50]. У цих приладах зміна контрольованої величини перетворюється у зміну електричної ємності С електричного кола звичайно відповідно до формули
де e - діелектрична проникність, Ф / м; S - площа перекриття обкладок конденсатора, см2; l-відстань між обкладкaмі, мм.
Отже, можливе створення трьох видів ємнісних перетворювачів: із змінним параметром e, S або l.
На рис. 4.65 показані схеми простих і диференціальних перетворювачів. Ємнісні перетворювачі володіють високою лінійністю вихідної характеристики, високою чутливістю, малими вимірювальними зусиллями.
Їх спеціальні конструкції дозволяють забезпечити великий діапазон показань. Однак ємнісні перетворювачі дуже чутливі до зовнішніх умов, (коливань температури, вологості і т.д.), що обмежує сферу їх застосування.
Прилади з фотоелектричними перетворювачами [50]. У цих приладах зміна контрольованої величини викликає зміна cветотехніческой характеристики, яка реєструється фотоелементами. Світловий потік Ф, що потрапляє на фотоелемент, визначають за формулою
де I - сила світла джерела; S - площа вхідного вічка системи; r - відстань від об'єктива системи до джерела світла; a - кут падіння пучка світла на світлочутливу поверхню.
Відповідно до наведеної формулою випускають датчики чотирьох типів, засновані на зміні: площі S (рис. 4.66, а) вхідного зіниці (світловий потік перекривається або заслінкою, пов'язаної з деталлю D, або кромкою самої деталі); відстані r від джерела світла до оточувствітельной поверхні (світловий потік змінюється шляхом переміщення джерела світла або фотоприймача, викликаного зміною контрольованої величини); сили світла I (рис. 4.66, б) джерела (світловий потік змінюється при зміні відбивної здатності контрольованої поверхні); кута нахилу a до світлочутливої поверхні.
Прилади, що використовують електронні перетворювачі (механо-трони). Радіоелектронні перетворювачі засновані на залежності характеристик електронної лампи від геометричного розташування її елементів (катодів, анодів, сіток і т. п.) Найбільшого поширення набули Механотрон у вигляді подвійних діодів з механічним керуванням (рис. 4.67). Контрольоване виріб повертає на кут a стрижень 1, закріплений на еластичній мембрані 2. На іншому кінці стрижня є аноди 3, переміщаються при контролі щодо катода 4. Анодний струм визначають за формулою
де k - постійний коефіцієнт; Uа - анодна напруга (Uа = соnst); lа.к - відстань між анодом і катодом.
Таким чином, Механотрон виконує функції перетворювача і першої електронної лампи підсилювача. Ці прилади характеризуються високою чутливістю, безінерційність, малими вимірювальним зусиллям і габаритами. Так, для Механотрон типу 6МХ діапазон вимірювань становить від ± 0,1 до ± 1 мм, чутливість 3 - 100 мкА / мкм, вимірювальне зусилля 0,015 - 0,4 Н, анодна напруга 5 - 15 В. Недолік Механотрон - невисока довговічність (1000 - 4000 год).
4.11.3. Вимірювальні роботи [7]
Автоматизація у великосерійному виробництві економічно вигідна на основі спеціалізованих автоматичних ліній. Для дрібно-і среднесерійного виробництва при частій змінюваності виробів, що випускаються більш вигідно йти по шляху створення безлюдній технології та використання перепрограмованих промислових роботів. Але в цьому випадку часто потрібно точне позиціонування, наприклад, контрольованих деталей. Серійно випускаються роботи забезпечують точність позиціонування ± 0,1 мм.
Точність позиціонування визначає, наприклад, виконання тих контрольних операцій деталей, зазори між калібром і деталлю в яких сумірні з цією точністю. При менших допусках в захопно пристрої монтується спеціальна головка або в системі управління маніпулятором використовуються коригувальні зворотні зв'язки з датчиком очувствленія, встановленим на захопно пристрої або позиціонері, де закріплена основна деталь.
Головна функція вимірювального робота (ІР) - захоплення та переміщення предмета (деталі, вимірювального засобу) на необхідну позицію в соориентироваться положенні і в потрібний момент часу. На основі використання ІР можна:
здійснювати метрологічні процеси, які за умовами виробництва неможливі за участю людини (токсична, запилені, загазована, вибухонебезпечне середовище, високий рівень радіації робочого простору, надвисокі швидкодії, монотонні та важкі операції і т. п.);
досягти високої продуктивності контролю в умовах швидкої змінюваності виробництва (гнучкого автоматизованого виробництва), скорочення термінів навчання метрологічним прийомам при випуску нової продукції.
Робот може здійснювати:
якісну оцінку складу робочої середовища;
встановити присутність певних об'єктів, їх рахунок, можливе розташування, дати якісну оцінку, сортування;
оцінку значення параметрів наявних або виготовлених предметів (деталей);
визначення правильності функціонування окремих об'єктів або їх частин.
Роботи першого покоління призначені тільки для переміщення вантажів різної маси.
Роботи другого покоління є вже "очувствленнимі". Для "очувствленія" вони забезпечені різними датчиками, що видають інформацію про стан рук, предметів та середовища. Після перетворення сигнали обробляються в ЕОМ і дозволяють здійснити управління виконавчими пристроями з урахуванням фактичних ситуацій. У порівнянні з роботами першого покоління вони володіють підвищеною маневреністю, мають більше число складних програм і дозволяють управляти обладнанням, автоматизувати контроль складання та інші процеси у виробництві з частою зміною умов.
Роботи третього покоління (інтегральні роботи) мають штучний інтелект, високий ступінь сприйняття і розпізнавання обстановки, здатність вироблення рішень автоматичного планування та контролю операцій. Ці роботи можуть змінювати свої дії (адаптуватися) під впливом зміни навколишнього середовища або під впливом команд від заданої програми. Вони можуть обробляти, збирати і розглядати окремі види виробів, керувати кількома видами устаткування, контрольно-вимірювальними установками, стежити за станом обладнання та ходом виробництва, здійснювати облік продукції на різних стадіях виробництва, виконувати деякі конструкторські, дослідницькі та лабораторні роботи і т. п. Адаптивні роботи можуть визначати параметри об'єкта і навколишнього середовища, оцінювати реальну картину, змінювати послідовність дій.
Застосування мікропроцесорних систем контролю дозволяє об'єднувати прилади, що виконують різні функції, в одну контрольно-вимірювальну систему. У результаті вдосконалення мікропроцесорів і збільшення числа виконуваних ними функцій стали з'являтися універсальні багатофункціональні системи - мультиметри. Так, наприклад, використання мікропроцесорів в електричних мостових контролюючих пристроях дозволяє при контролі отримати на виході такого пристрою одночасно дані про ємності, опорі витоку, тангенс кута втрат конденсатора і котушки індуктивності, активному й індуктивному опорах, а також добротності котушки індуктивності. Мікропроцесор може керувати часом вимірювання, здійснювати вибір діапазону вимірювання, виконувати функції інтерфейсу. Крім того, він може забезпечувати автоблокування, самодіагностування, статистичний аналіз, корекцію догляду нуля, лінеаризацію характеристик вимірювальних перетворювачів.
4.12. Вимірювання температури
Вимірювати температуру можна тільки непрямим шляхом, грунтуючись на залежності від температури таких фізичних властивостей тіл, які піддаються безпосередньому виміру. До них відносять довжину, об'єм, щільність, термоЕРС, електричний опір і т. д. Речовини, які характеризуються термометричні властивості, називають термометричні.
4.12.1. Температурні шкали і одиниці теплових величин
Встановлено, що немає жодного термометричної властивості, яке лінійно змінюється зі зміною температури і не залежить від інших факторів у широкому інтервалі вимірювання температур.
Фарангейт (1715 р.), Реомюр (1776 р.), "Цельсій" (1742 р.) при побудові шкал використовували дві опорні, або реперні точки, що представляють собою температури фазового рівноваги чистих речовин, та наявність лінійного зв'язку між температурою і термометричні властивості рідини.
Зв'язок між шкалами Цельсія, Реомюр і Фарангейт можна уявити співвідношенням toC = 1,25 oR = (5 / 9) × (toF - 32).
Створення температурної шкали, що не залежить від термометричних властивостей речовини (абсолютної шкали), належить Кельвіном (1848 р.). Термодинамічна (абсолютна) шкала заснована на другому законі термодинаміки. Відповідно до цього закону коефіцієнт корисної дії теплової машини, що працює по оборотного циклу Корно, визначається тільки температурами нагрівача і холодильника і не залежить від властивостей речовини. Кельвіном для визначення температури було запропоновано використовувати рівність Тн / Тх = Qн / QХ,
де Тн, Тх - відповідно температура нагрівача і холодильника;
Qн, QХ - відповідно кількість теплоти, отримане робочою речовиною від нагрівача і віддане холодильника.
Кельвін - 1 / 273, 16 частина термодинамічної температури потрійної точки води. Термодинамічна температура може бути також виражена в градусах Цельсія: t = Т - 273,15 К.
В даний час діє прийнята на ХIII конференції з мір та ваг вдосконалена шкала під назвою "міжнародна практична температурна шкала 1968" (МПТШ - 68). Температури МПТШ - 68 забезпечуються індексами Т68 або t68.
МПТШ - 68 грунтується на ряді відтворюваних станів рівноваги (реперних точок) деяких речовин - 11 основних і 27 вторинних реперних точок, що охоплюють діапазон температур від 13,956 до 3660 К (від -259,194 до 3387 оС). Числові значення температур по основним реперним точкам, наведені в табл. 4.2, відповідають термодинамічної шкалою і визначені за допомогою газових термометрів.
Таблиця 4.2
Основні реперні точки МПТШ - 68
Газові термометри бувають трьох типів: постійного обсягу, постійного тиску і постійної температури. У газовому термометрі постійного обсягу (ріс.4.68) зміна температури газу пропорційно зміні тиску. Газовий термометр складається з балони 1 і сполучної трубки 2, заповнених через вентиль 3 воднем, гелієм або азотом (для високих температур). Сполучна трубка 2 приєднана до трубці 4 двотрубного манометра, у якого трубку 5 можна переміщати вгору і вниз завдяки гнучкому з'єднувальному шлангу 6.
При вимірі температури об'єм системи, заповненої газом, змінюється, і для приведення його до початкового значення трубку 5 вертикально переміщають до тих пір, поки рівень ртуті в трубці 4 не співпаде з віссю Х-Х. При цьому стовп ртуті в трубці 5, відрахований від рівня Х-Х, буде відповідати тиску газу Р в балоні. Якщо при температурі потрійної точки води Т0 тиск газу в балоні одно Р0, то при вимірюваний тиск Р шукана температура
Таблиця 4.3
Одиниці теплових величин
Інтерполяція між реперними точками шкали проводиться за допомогою еталонних: платинового термометра опору в інтервалі від 13,81 до 903,89 К; платинородій-платинової термопари в інтервалі температур від 903, 89 до 1337,58 К; квазімонохроматіческого термометра з використанням закону випромінювання Планка при температурі понад 1337,58 К.
За системою SI одиниці деяких теплових величин, застосовувані в Російській Федерації, наведені в табл. 4.3.
4.12.2. Механічні контактні термометри
До механічних контактним термометрам відносяться: дилатометрічні, біметалічні, рідинні скляні, рідинні манометричні, конденсаційні манометричні й газові.
Дилатометричний термометр (рис. 4.69, а) виконується у вигляді металевої трубки з великим температурним коефіцієнтом лінійного розширення і стрижня (наприклад, фарфорового) з малим коефіцієнтом лінійного розширення, скріплених між собою.
Різниця переміщень кінців трубки і стержня, викликана зміною температури, сприймається рачажно-зубчастої системою і передається на відліковий пристрій.
Біметалічний термометр (рис. 4.69, б) складається з двошарової металевої стрічки з різними коефіцієнтами лінійного розширення. Найбільшого поширення набули стрічки з латуні і інвару. При зміні температури стрічка змінює форму, що передається на відліковий пристрій.
Рідинний скляний термометр (рис. 4.69, в) має скляний балон з капіляром, заповнений термометрической рідиною. У зв'язку з відмінністю коефіцієнтів об'ємного розширення скляного балона з капіляром і термометрической рідини з'являється можливість вимірювання температури.
Рідинний манометричний термометр (рис. 4.69, г) складається з термобаллона, погружаемого в середу, температура якої підлягає вимірюванню, з'єднувального металевого капіляра і пружного чутливого елемента. Вся система заповнена термометрической рідиною. При підвищенні температури рідина розширюється, що призводить до деформації пружного чутливого елемента.
Конденсаційний манометричний термометр (див. рис. 4.69, г) по конструкції повторює рідинний манометричний і відрізняється тільки тим, що його термобаллон частково заповнюється низкокипящей рідиною. Тиск насичених парів над рідиною, що є мірою температури, перетвориться в переміщення пружного чутливого елемента.
Термометр опору металевий (рис. 4.70, а) складається з чутливого елемента у вигляді терморезистора, захисного чохла і сполучної голівки. Чутливий елемент металевого термометра опору виконується у вигляді обмотки на каркасі з теплостійкого ізоляційного матеріалу.
Про температуру судять по зміні електричного опору його чутливого елемента, падіння напруги на ньому при постійному струмі або значенням струму при постійній напрузі.
Термометр опору напівпровідниковий (рис. 4.70, б) аналогічний металевому, але його чутливий елемент виконаний у вигляді шайби або намистини з напівпровідникового матеріалу з двома електричними виводами.
Всі фізичні тала, температура яких перевищує абсолютний нуль, випускають теплові промені. Засоби вимірювання, що визначають температуру тіл за їх тепловим випромінюванням, називають пірометра випромінювання, або пірометра.
Теплове випромінювання являє собою електромагнітне випромінювання, що випускається речовиною за рахунок його внутрішньої енергії.
З огляду на те, що інтенсивність теплового випромінювання різко зменшується зі зменшенням температури тіл, пірометри використовуються в основному для вимірювання температури від 300 до 6000 ° С і вище. Для вимірювання температур вище 3000 ° С методи пірометрії є єдиними, так як вони не вимагають безпосереднього контакту датчика приладу з об'єктом вимірювання.
Як величин, що характеризують теплове випромінювання тіл, в пірометрії використовується спектральна енергетична світність (інтенсивність монохроматичного випромінювання, або излучательности) Е * l, повна енергетична світність (інтегральна излучательности) Е *, а також спектральна енергетична яскравість В * l (індекс * відповідно до абсолютно чорного тіла).
Пірометри, що вимірюють яркостную температуру по спектральної яскравості у видимій частині спектру, називають оптичними та фотоелектричні.
Яркостной температурою Тебе реального тіла називають таку температуру абсолютно чорного тіла, при якій його спектральна яскравість В * l, Тебе дорівнює спектральної яскравості реального тіла ВL при його дійсної температурі Т.
Прилади, що вимірюють температуру за значенням відносини енергетичних яскравостей у двох спектральних інтервалах, називають колірні пірометри, або пірометра спектрального відношення.
Колірною температурою Тц реального тіла, що має справжню температуру Т, називається така температура чорного тіла, при якій ставлення його спектральних енергетичних яскравостей В * l1Тц / В * l2Тяц при довжинах хвиль l1 і l2 дорівнює відношенню спектральних енергетичних яскравостей реального тіла Вl1/Вl2 при тих же довжинах хвиль.
Прилади, що вимірюють температуру тіла за інтегральною излучательности, називають радіаційні пірометри, або пірометра повного випромінювання. Якщо чутливий елемент радіаційного пірометра сприймає інтегральну излучательности не у всьому діапазоні довжин хвиль від 0 до ¥, а в деякому обмеженому інтервалі довжин хвиль від l1 до l2, то такий пірометр називають пірометром часткового випромінювання.
Радіаційного температурою Тр реального тіла, що має справжню температуру Т, називають таку температуру чорного тіла, при якій його інтегральна излучательности Е * дорівнює інтегральної излучательности реального тіла Є.
4.12.4.1. Приймачі повного випромінювання
Приймачі повного випромінювання відрізняються тим, що їх спектральна чутливість постійна в широкому діапазоні довжин хвиль від дальньої інфрачервоної області до ближньої ультрафіолетової. Їх чутливість не залежить від довжини хвилі. Для збільшення поглощательной здібності чутливі поверхні приймачів фарбують у чорний колір. У довгохвильовій області (починаючи з 20 мкм) чутливі поверхні приймача виконуються у вигляді незачерненних металевих шарів певної товщини. Для зменшення тепловідводу в середу приймач випромінювання поміщають у вакуумовані або газонаповнені корпусу. Застосовуються такі типи приймачів повного випромінювання: термобатареї, болометри, теплові швидкодіючі індикатори, піроелектричні кристали та ін
Термобатареї виконуються на основі термопар, з'єднаних послідовно (до 20 термопар). Їх гарячі спаї розташовуються на вузькій ділянці поверхні, на який фокусується випромінювання. Термопари виконуються у вигляді тонкої фольги, дроту або тонкої плівки, отриманої методом випаровування у вакуумі.
Болометри - це термометри опору, виготовлені або з фольги провідних матеріалів з температурним коефіцієнтом опору aR »10-3 К-1, або з напівпровідників (термісторів) з aR» 10-3 К-1. Чутлива поверхня болометра з фольги для збільшення поглинання зачерняется.
Схеми включення болометрів вимагають наявності джерела живлення.
Теплові швидкодіючі індикатори виконуються у вигляді тонкошарової термопари або болометра, в яких Активний шар має гарний тепловий контакт з основою. Це дає можливість досягти порівняно високої швидкодії. Тому вони використовуються в першу чергу для ідентифікації потужних сигналів, наприклад, для реєстрації високочастотного модульованого лазерного випромінювання.
Піроелектричні приймачі випромінювання - це кристали з певним видом симетрії, в яких у залежності від зміни температури виявляється ефект спонтанної поляризації. Тому дані приймачі випромінювання не вимагають додаткових джерел живлення.
Найсильніше піроелектричні властивості виявляються в таких матеріалах, як монокристали і кераміка титанату барію, монокристали триглицинсульфата і ніобіту барію-стронцію.
4.12.4.2. Фотоелектричні приймачі випромінювання
Спектральна чутливість фотоелектричних приймачів випромінювання неоднакова для різних довжин хвиль і найбільш велика у видимій та ближній інфрачервоній областях спектру. У порівнянні з приймачами повного випромінювання фотоелектричні володіють великою швидкодією і мають більш протяжні світлочутливі поверхні.
Такі приймачі можуть бути з внутрішнім фотоефектом (фотоелементи, фотодіоди, фототранзистори, фоторезистори) і з зовнішнім фотоефектом (фотоелементи з зовнішнім фотоефектом, фотопомножувача).
Фотодіоди-це структура, в якій при поглинанні фотона утвориться пара електрон - дірка. Виникаюча різниця потенціалів є мірою потоку випромінювання.
Фототранзистори являють собою структуру, базова область якої може опромінюватися світлом. Фототранзистор служить, таким чином, одночасно і підсилювачем фотоструму, тому в порівнянні з фотодіодом він має на порядок більшу чутливість, однак менше швидкодія.
Фоторезистори - це напівпровідникові елементи, що змінюють свою електропровідність під дією випромінювання. Завдяки великій допустимої потужності розсіювання з допомогою фоторезисторів можна комутувати великі струми, достатні для перемикання електромагнітних реле.
Фотоелементи з зовнішнім фотоефектом виконуються зазвичай у вигляді скляного вакуумованого або газонаповненого балона, всередині якого розміщуються анод і катод у вигляді фоточутливого шару, нанесеного на внутрішню поверхню балона.
При висвітленні фотокатода звільняються електрони, і при підключенні анодної напруги від зовнішнього джерела виникає фотострум, пропорційний потоку випромінювання.
Фотоелементи з зовнішнім фотоефектом володіють високим внутрішнім опором і працюють при великих різницях потенціалів, тому їх вихідні сигнали можна використовувати безпосередньо для управління виконавчими пристроями.
Фотоелектронний помножувач (ФЕП) - це пристрій, що містить в одному балоні вакуумний фотоелемент і вторинний електронний підсилювач. Потік випромінювання звільняє з фотокатода електрони, які розганяються в електричному полі і фокусуються на емітери (діноди). При попаданні кожного прискореного електрона на дінод звільняється від 5 до 10 нових електронів. Фотопомножувача можуть мати 9 - 14 дінодов і збільшувати загальне число фотоелектронів у 109 разів.
4.12.4.3. Пірометри
Всі пірометри поділяються на: пірометри повного випромінювання (пірометри з заломлюючої і відбиває оптичними системами), квазімонохроматіческіе пірометри (пірометри зі зникаючою ниткою і з оптичним клином), пірометри спектрального розподілу (пірометри порівняння та спектрального відношення).
У пірометра повного випромінювання використовується не менше 90% сумарного потоку випромінювання джерела. При вимірі температури реального тіла пірометр повного випромінювання показує не дійсну, а так звану радіаційну температуру тіла. При відомому сумарному коефіцієнті чорноти тіла можливий перерахунок з радіаційної температури тіла на його дійсну температуру.
Недоліком пірометрів повного випромінювання є те, що для визначення дійсної температури необхідно знати коефіцієнти чорноти, а точність показань пірометра залежить не тільки від стабільності коефіцієнта чорноти, але і від поглинання випромінювання навколишнім середовищем і оптичною системою пірометра. Пірометри повного випромінювання зручно використовувати тому при вимірюванні дійсної температури, а при вимірах різниць температур в незмінних умовах спостереження.
У пірометра з заломлюючої оптичною системою (рис. 4.71, а) випромінювання від об'єкта 1 через лінзовий об'єктив 2 і діафрагму 3 надходить на приймач повного випромінювання 4. Для наведення на об'єкт виміру служить окуляр 6 з димчастим світлофільтром 5 і діафрагмою 7. Відліковим пристроєм є мілівольтметр 8.
У пірометра з відзеркалювальною оптичною системою (рис. 4.71, б) випромінювання від об'єкта 1 потрапляє на приймач випромінювання 5 після проходження через захисну поліетиленову плівку 2, діафрагму 3 та увігнуте дзеркало 4. Для наведення на об'єкт випромінювання служить зорова труба 6, відлік показань проводиться за шкалою мілівольтметра 7. Поліетиленова плівка прозора для інфрачервоного випромінювання і служить для захисту оптичної системи пірометра від забруднення і потоків повітря.
Квазімонохроматіческіе пірометри часткового випромінювання працюють у вузькому діапазоні довжин хвиль. При вимірі встановлюється зв'язок між дійсною і яркостной температурою
У пірометра зі зникаючою ниткою (рис. 4.72, а) в задній фокальній площині об'єктива 2 розміщується нитка лампи розжарювання 3. Оператор 7 через окуляр 4, діафрагму 5 і фільтр 6 бачить зображення нитки лампи на тлі об'єкта 1. Спостереження ведеться в монохроматичному світлі (зазвичай l = 0,65 мкм), створюваному фільтром з червоного скла. За допомогою реостата силу струму через лампу розжарювання змінюють до тих пір, поки спектральні інтенсивності випромінювання нитки лампи та об'єкта не стануть рівними один одному. У цей момент зображення нитки зникає на тлі об'єкта. Міліамперметр 8 можна переписати в градусах температури.
Пірометр з оптичним круговим клином (рис. 4.72, б) є модифікацією вищеописаного пірометра. У ньому яркостную температуру нитки лампи розжарювання 3 підтримують постійною, а зрівняння яркостей здійснюється переміщенням оптичного клина 2, проникного більше або менше світла від об'єкта 1. За положенням клина можна судити про яркостной температурі об'єкта.
Пірометри спектрального розподілу засновані на використанні залежності інтенсивності спектрального випромінювання нагрітих тіл від температури і довжини хвилі випромінювання. Мірою температури може бути колір випромінюючого об'єкта або відношення спектральних інтенсивностей на двох різних довжинах хвиль.
Оскільки в більшості випадків характер залежності спектральної інтенсивності випромінювання від довжини хвилі приблизно однаковий для чорного тіла і реальних випромінювачів, то і відмінність між колірної і дійсної температурами невелика.
У пірометра порівняння (рис. 4.73, а) відношення спектральних інтенсивностей оцінюється суб'єктивно по колірному відчуття, створюваному сумішшю двох монохроматичних пучків. Випромінювання від об'єкта 1 через об'єктив 2, нейтральний оптичний клин 3 та подвійний світлофільтр 4 прямує до фотометричному кубику 5. Подвійний світлофільтр виконаний у вигляді двох клинів (червоного і зеленого), відносним переміщенням яких можна змінювати співвідношення між інтенсивностями червоного і зеленого кольорів. На фотометричний кубик надходить також випромінювання від лампи розжарювання 12 через матове скло 11, червоний і зелений світлофільтри 10 і об'єктив 9. Через окуляр 6 і діафрагму 7 спостерігач 8 бачить дві ділянки, відповідних випромінювання від об'єкту і лампи, забарвлених сумішшю зеленого і червоного кольорів з різним співвідношенням їх інтенсивностей. Взаємним зсувом оптичних клинів подвійного світлофільтру зрівнюють співвідношення інтенсивностей червоного і зеленого кольорів випромінювання об'єкта і випромінювання лампи розжарювання. Для врівноваження. Співвідношення квітів необхідно рівність яркостей випромінювання об'єкта і лампи. Цього домагаються зміною положення нейтрального оптичного клина 3. Після врівноваження становища нейтрального клину визначають яркостную температуру; положення одного з клинів подвійного світлофільтру 4 визначає кольорову температуру об'єкта.
Оператор, який працює з пірометром порівняння, повинен, звичайно, мати гарний відчуття кольору. У пірометра спектрального відношення (рис. 4.73, б) вводиться модуляція світлового потоку. Світловий потік, пройшовши від вимірюваного об'єкта 1 через об'єктив 2, переривається обтюратором з двома світлофільтрами 4, пропускають випромінювання на двох довжинах хвиль (l1 і l2), до фотоелемента 5. Змінна складова вихідного сигналу фотоелемента посилюється підсилювачем 6 і подається на реверсивний двигун 7, який переміщує врівноважує фільтр 3 до тих пір, поки не зрівняються інтенсивності випромінювання на обох довжинах хвиль. У положенні рівноваги переміщення фільтра є мірою вимірюваної температури.
Основна перевага пірометрів спектрального відношення полягає в незалежності їх свідчень від випромінювальної здатності об'єкта, а також від наявності диму, пилу і випарів в просторі між об'єктом і пірометром.
здійснювати метрологічні процеси, які за умовами виробництва неможливі за участю людини (токсична, запилені, загазована, вибухонебезпечне середовище, високий рівень радіації робочого простору, надвисокі швидкодії, монотонні та важкі операції і т. п.);
досягти високої продуктивності контролю в умовах швидкої змінюваності виробництва (гнучкого автоматизованого виробництва), скорочення термінів навчання метрологічним прийомам при випуску нової продукції.
Робот може здійснювати:
якісну оцінку складу робочої середовища;
встановити присутність певних об'єктів, їх рахунок, можливе розташування, дати якісну оцінку, сортування;
оцінку значення параметрів наявних або виготовлених предметів (деталей);
визначення правильності функціонування окремих об'єктів або їх частин.
Роботи першого покоління призначені тільки для переміщення вантажів різної маси.
Роботи другого покоління є вже "очувствленнимі". Для "очувствленія" вони забезпечені різними датчиками, що видають інформацію про стан рук, предметів та середовища. Після перетворення сигнали обробляються в ЕОМ і дозволяють здійснити управління виконавчими пристроями з урахуванням фактичних ситуацій. У порівнянні з роботами першого покоління вони володіють підвищеною маневреністю, мають більше число складних програм і дозволяють управляти обладнанням, автоматизувати контроль складання та інші процеси у виробництві з частою зміною умов.
Роботи третього покоління (інтегральні роботи) мають штучний інтелект, високий ступінь сприйняття і розпізнавання обстановки, здатність вироблення рішень автоматичного планування та контролю операцій. Ці роботи можуть змінювати свої дії (адаптуватися) під впливом зміни навколишнього середовища або під впливом команд від заданої програми. Вони можуть обробляти, збирати і розглядати окремі види виробів, керувати кількома видами устаткування, контрольно-вимірювальними установками, стежити за станом обладнання та ходом виробництва, здійснювати облік продукції на різних стадіях виробництва, виконувати деякі конструкторські, дослідницькі та лабораторні роботи і т. п. Адаптивні роботи можуть визначати параметри об'єкта і навколишнього середовища, оцінювати реальну картину, змінювати послідовність дій.
Застосування мікропроцесорних систем контролю дозволяє об'єднувати прилади, що виконують різні функції, в одну контрольно-вимірювальну систему. У результаті вдосконалення мікропроцесорів і збільшення числа виконуваних ними функцій стали з'являтися універсальні багатофункціональні системи - мультиметри. Так, наприклад, використання мікропроцесорів в електричних мостових контролюючих пристроях дозволяє при контролі отримати на виході такого пристрою одночасно дані про ємності, опорі витоку, тангенс кута втрат конденсатора і котушки індуктивності, активному й індуктивному опорах, а також добротності котушки індуктивності. Мікропроцесор може керувати часом вимірювання, здійснювати вибір діапазону вимірювання, виконувати функції інтерфейсу. Крім того, він може забезпечувати автоблокування, самодіагностування, статистичний аналіз, корекцію догляду нуля, лінеаризацію характеристик вимірювальних перетворювачів.
4.12. Вимірювання температури
Вимірювати температуру можна тільки непрямим шляхом, грунтуючись на залежності від температури таких фізичних властивостей тіл, які піддаються безпосередньому виміру. До них відносять довжину, об'єм, щільність, термоЕРС, електричний опір і т. д. Речовини, які характеризуються термометричні властивості, називають термометричні.
4.12.1. Температурні шкали і одиниці теплових величин
Встановлено, що немає жодного термометричної властивості, яке лінійно змінюється зі зміною температури і не залежить від інших факторів у широкому інтервалі вимірювання температур.
Фарангейт (1715 р.), Реомюр (1776 р.), "Цельсій" (1742 р.) при побудові шкал використовували дві опорні, або реперні точки, що представляють собою температури фазового рівноваги чистих речовин, та наявність лінійного зв'язку між температурою і термометричні властивості рідини.
Зв'язок між шкалами Цельсія, Реомюр і Фарангейт можна уявити співвідношенням toC = 1,25 oR = (5 / 9) × (toF - 32).
Створення температурної шкали, що не залежить від термометричних властивостей речовини (абсолютної шкали), належить Кельвіном (1848 р.). Термодинамічна (абсолютна) шкала заснована на другому законі термодинаміки. Відповідно до цього закону коефіцієнт корисної дії теплової машини, що працює по оборотного циклу Корно, визначається тільки температурами нагрівача і холодильника і не залежить від властивостей речовини. Кельвіном для визначення температури було запропоновано використовувати рівність Тн / Тх = Qн / QХ,
де Тн, Тх - відповідно температура нагрівача і холодильника;
Qн, QХ - відповідно кількість теплоти, отримане робочою речовиною від нагрівача і віддане холодильника.
Кельвін - 1 / 273, 16 частина термодинамічної температури потрійної точки води. Термодинамічна температура може бути також виражена в градусах Цельсія: t = Т - 273,15 К.
В даний час діє прийнята на ХIII конференції з мір та ваг вдосконалена шкала під назвою "міжнародна практична температурна шкала 1968" (МПТШ - 68). Температури МПТШ - 68 забезпечуються індексами Т68 або t68.
МПТШ - 68 грунтується на ряді відтворюваних станів рівноваги (реперних точок) деяких речовин - 11 основних і 27 вторинних реперних точок, що охоплюють діапазон температур від 13,956 до 3660 К (від -259,194 до 3387 оС). Числові значення температур по основним реперним точкам, наведені в табл. 4.2, відповідають термодинамічної шкалою і визначені за допомогою газових термометрів.
Таблиця 4.2
Основні реперні точки МПТШ - 68
| Стан рівноваги | Температура | Стан рівноваги | Температура | ||
| Т68 До | t68, оС | Т68 До | t68, оС | ||
| Потрійна точка водню | 13,81 | -259,34 | Точка кипіння води | 373,15 | 100 |
| Точка кипіння водню | 20,28 | -252,87 | Точка затвердіння олова | 505,1181 | 231,9681 |
| Точка кипіння неону | 27,102 | -246,048 | Точка затвердіння цинку | 692,73 | 419,58 |
| Потрійна точка кисню | 54,361 | -218,789 | Точка затвердіння срібла | 1235,08 | 961,93 |
| Точка кипіння кисню | 90,188 | -182,962 | Точка затвердіння золота | 1337,58 | 1064,430 |
| Потрійна точка води | 273,16 | 0,01 | |||
При вимірі температури об'єм системи, заповненої газом, змінюється, і для приведення його до початкового значення трубку 5 вертикально переміщають до тих пір, поки рівень ртуті в трубці 4 не співпаде з віссю Х-Х. При цьому стовп ртуті в трубці 5, відрахований від рівня Х-Х, буде відповідати тиску газу Р в балоні. Якщо при температурі потрійної точки води Т0 тиск газу в балоні одно Р0, то при вимірюваний тиск Р шукана температура
Таблиця 4.3
Одиниці теплових величин
| Величина | Найменування | Позначення | |
| Російське | Між-дуна-рідне | ||
| Температура | Кельвін | До | K |
| Кількість теплоти | Джоуль | Дж | J |
| Теплоємність, ентропія | Джоуль на кельвін | Дж × К-1 | J × K-1 |
| Тепловий потік | Ват | Вт | W |
| Коефіцієнт теблообмена, коефіцієнт теплопередачі | Ват на квадратний метр-кельвін | Вт × м-2 × К-1 | W × m-2 × K-1 |
| Коефіцієнт теплопровідності | Ват на метр-кельвін | Вт × м-1 × К-1 | W × m-1 × K-1 |
| Температурний коефіцієнт лінійного розширення | Метр на метр-кельвін | м × м-1 × К-1 | m × m-1 × K-1 |
| Температурний коефіцієнт об'ємного розширення | Кубічний метр на кубічний метр-кельвін | м3 × м-3 × К-1 | m3 × m-3 × K-1 |
За системою SI одиниці деяких теплових величин, застосовувані в Російській Федерації, наведені в табл. 4.3.
4.12.2. Механічні контактні термометри
До механічних контактним термометрам відносяться: дилатометрічні, біметалічні, рідинні скляні, рідинні манометричні, конденсаційні манометричні й газові.
Дилатометричний термометр (рис. 4.69, а) виконується у вигляді металевої трубки з великим температурним коефіцієнтом лінійного розширення і стрижня (наприклад, фарфорового) з малим коефіцієнтом лінійного розширення, скріплених між собою.
Різниця переміщень кінців трубки і стержня, викликана зміною температури, сприймається рачажно-зубчастої системою і передається на відліковий пристрій.
Біметалічний термометр (рис. 4.69, б) складається з двошарової металевої стрічки з різними коефіцієнтами лінійного розширення. Найбільшого поширення набули стрічки з латуні і інвару. При зміні температури стрічка змінює форму, що передається на відліковий пристрій.
Рідинний скляний термометр (рис. 4.69, в) має скляний балон з капіляром, заповнений термометрической рідиною. У зв'язку з відмінністю коефіцієнтів об'ємного розширення скляного балона з капіляром і термометрической рідини з'являється можливість вимірювання температури.
Рідинний манометричний термометр (рис. 4.69, г) складається з термобаллона, погружаемого в середу, температура якої підлягає вимірюванню, з'єднувального металевого капіляра і пружного чутливого елемента. Вся система заповнена термометрической рідиною. При підвищенні температури рідина розширюється, що призводить до деформації пружного чутливого елемента.
Конденсаційний манометричний термометр (див. рис. 4.69, г) по конструкції повторює рідинний манометричний і відрізняється тільки тим, що його термобаллон частково заповнюється низкокипящей рідиною. Тиск насичених парів над рідиною, що є мірою температури, перетвориться в переміщення пружного чутливого елемента.
Газовий термометр розглянуто в п 4.12.1 (див. рис. 4.68).
4.12.3. Електричні контактні термометриТермометр опору металевий (рис. 4.70, а) складається з чутливого елемента у вигляді терморезистора, захисного чохла і сполучної голівки. Чутливий елемент металевого термометра опору виконується у вигляді обмотки на каркасі з теплостійкого ізоляційного матеріалу.
Про температуру судять по зміні електричного опору його чутливого елемента, падіння напруги на ньому при постійному струмі або значенням струму при постійній напрузі.
Термометр опору напівпровідниковий (рис. 4.70, б) аналогічний металевому, але його чутливий елемент виконаний у вигляді шайби або намистини з напівпровідникового матеріалу з двома електричними виводами.
Термоелектричний термометр складається з термопари, захисного чохла і сполучної голівки. Термопара служить чутливим елементом і складається з двох термоелектродов з різних матеріалів. Один (холодний) спай термопари підтримується при постійній температурі. ТермоЕРС, що розвивається термопарою, є мірою температури другого (гарячого) спаю. На рис. 4.70, в наведена схема стандартної термоелектричної термопари, а на рис. 4.70, г - термопари в тонкому чохлі.
4.12.4. Пірометри випромінюванняВсі фізичні тала, температура яких перевищує абсолютний нуль, випускають теплові промені. Засоби вимірювання, що визначають температуру тіл за їх тепловим випромінюванням, називають пірометра випромінювання, або пірометра.
Теплове випромінювання являє собою електромагнітне випромінювання, що випускається речовиною за рахунок його внутрішньої енергії.
З огляду на те, що інтенсивність теплового випромінювання різко зменшується зі зменшенням температури тіл, пірометри використовуються в основному для вимірювання температури від 300 до 6000 ° С і вище. Для вимірювання температур вище 3000 ° С методи пірометрії є єдиними, так як вони не вимагають безпосереднього контакту датчика приладу з об'єктом вимірювання.
Як величин, що характеризують теплове випромінювання тіл, в пірометрії використовується спектральна енергетична світність (інтенсивність монохроматичного випромінювання, або излучательности) Е * l, повна енергетична світність (інтегральна излучательности) Е *, а також спектральна енергетична яскравість В * l (індекс * відповідно до абсолютно чорного тіла).
Пірометри, що вимірюють яркостную температуру по спектральної яскравості у видимій частині спектру, називають оптичними та фотоелектричні.
Яркостной температурою Тебе реального тіла називають таку температуру абсолютно чорного тіла, при якій його спектральна яскравість В * l, Тебе дорівнює спектральної яскравості реального тіла ВL при його дійсної температурі Т.
Прилади, що вимірюють температуру за значенням відносини енергетичних яскравостей у двох спектральних інтервалах, називають колірні пірометри, або пірометра спектрального відношення.
Колірною температурою Тц реального тіла, що має справжню температуру Т, називається така температура чорного тіла, при якій ставлення його спектральних енергетичних яскравостей В * l1Тц / В * l2Тяц при довжинах хвиль l1 і l2 дорівнює відношенню спектральних енергетичних яскравостей реального тіла Вl1/Вl2 при тих же довжинах хвиль.
Прилади, що вимірюють температуру тіла за інтегральною излучательности, називають радіаційні пірометри, або пірометра повного випромінювання. Якщо чутливий елемент радіаційного пірометра сприймає інтегральну излучательности не у всьому діапазоні довжин хвиль від 0 до ¥, а в деякому обмеженому інтервалі довжин хвиль від l1 до l2, то такий пірометр називають пірометром часткового випромінювання.
Радіаційного температурою Тр реального тіла, що має справжню температуру Т, називають таку температуру чорного тіла, при якій його інтегральна излучательности Е * дорівнює інтегральної излучательности реального тіла Є.
4.12.4.1. Приймачі повного випромінювання
Приймачі повного випромінювання відрізняються тим, що їх спектральна чутливість постійна в широкому діапазоні довжин хвиль від дальньої інфрачервоної області до ближньої ультрафіолетової. Їх чутливість не залежить від довжини хвилі. Для збільшення поглощательной здібності чутливі поверхні приймачів фарбують у чорний колір. У довгохвильовій області (починаючи з 20 мкм) чутливі поверхні приймача виконуються у вигляді незачерненних металевих шарів певної товщини. Для зменшення тепловідводу в середу приймач випромінювання поміщають у вакуумовані або газонаповнені корпусу. Застосовуються такі типи приймачів повного випромінювання: термобатареї, болометри, теплові швидкодіючі індикатори, піроелектричні кристали та ін
Термобатареї виконуються на основі термопар, з'єднаних послідовно (до 20 термопар). Їх гарячі спаї розташовуються на вузькій ділянці поверхні, на який фокусується випромінювання. Термопари виконуються у вигляді тонкої фольги, дроту або тонкої плівки, отриманої методом випаровування у вакуумі.
Болометри - це термометри опору, виготовлені або з фольги провідних матеріалів з температурним коефіцієнтом опору aR »10-3 К-1, або з напівпровідників (термісторів) з aR» 10-3 К-1. Чутлива поверхня болометра з фольги для збільшення поглинання зачерняется.
Схеми включення болометрів вимагають наявності джерела живлення.
Теплові швидкодіючі індикатори виконуються у вигляді тонкошарової термопари або болометра, в яких Активний шар має гарний тепловий контакт з основою. Це дає можливість досягти порівняно високої швидкодії. Тому вони використовуються в першу чергу для ідентифікації потужних сигналів, наприклад, для реєстрації високочастотного модульованого лазерного випромінювання.
Піроелектричні приймачі випромінювання - це кристали з певним видом симетрії, в яких у залежності від зміни температури виявляється ефект спонтанної поляризації. Тому дані приймачі випромінювання не вимагають додаткових джерел живлення.
Найсильніше піроелектричні властивості виявляються в таких матеріалах, як монокристали і кераміка титанату барію, монокристали триглицинсульфата і ніобіту барію-стронцію.
4.12.4.2. Фотоелектричні приймачі випромінювання
Спектральна чутливість фотоелектричних приймачів випромінювання неоднакова для різних довжин хвиль і найбільш велика у видимій та ближній інфрачервоній областях спектру. У порівнянні з приймачами повного випромінювання фотоелектричні володіють великою швидкодією і мають більш протяжні світлочутливі поверхні.
Такі приймачі можуть бути з внутрішнім фотоефектом (фотоелементи, фотодіоди, фототранзистори, фоторезистори) і з зовнішнім фотоефектом (фотоелементи з зовнішнім фотоефектом, фотопомножувача).
Фотодіоди-це структура, в якій при поглинанні фотона утвориться пара електрон - дірка. Виникаюча різниця потенціалів є мірою потоку випромінювання.
Фототранзистори являють собою структуру, базова область якої може опромінюватися світлом. Фототранзистор служить, таким чином, одночасно і підсилювачем фотоструму, тому в порівнянні з фотодіодом він має на порядок більшу чутливість, однак менше швидкодія.
Фоторезистори - це напівпровідникові елементи, що змінюють свою електропровідність під дією випромінювання. Завдяки великій допустимої потужності розсіювання з допомогою фоторезисторів можна комутувати великі струми, достатні для перемикання електромагнітних реле.
Фотоелементи з зовнішнім фотоефектом виконуються зазвичай у вигляді скляного вакуумованого або газонаповненого балона, всередині якого розміщуються анод і катод у вигляді фоточутливого шару, нанесеного на внутрішню поверхню балона.
При висвітленні фотокатода звільняються електрони, і при підключенні анодної напруги від зовнішнього джерела виникає фотострум, пропорційний потоку випромінювання.
Фотоелементи з зовнішнім фотоефектом володіють високим внутрішнім опором і працюють при великих різницях потенціалів, тому їх вихідні сигнали можна використовувати безпосередньо для управління виконавчими пристроями.
Фотоелектронний помножувач (ФЕП) - це пристрій, що містить в одному балоні вакуумний фотоелемент і вторинний електронний підсилювач. Потік випромінювання звільняє з фотокатода електрони, які розганяються в електричному полі і фокусуються на емітери (діноди). При попаданні кожного прискореного електрона на дінод звільняється від 5 до 10 нових електронів. Фотопомножувача можуть мати 9 - 14 дінодов і збільшувати загальне число фотоелектронів у 109 разів.
4.12.4.3. Пірометри
Всі пірометри поділяються на: пірометри повного випромінювання (пірометри з заломлюючої і відбиває оптичними системами), квазімонохроматіческіе пірометри (пірометри зі зникаючою ниткою і з оптичним клином), пірометри спектрального розподілу (пірометри порівняння та спектрального відношення).
У пірометра повного випромінювання використовується не менше 90% сумарного потоку випромінювання джерела. При вимірі температури реального тіла пірометр повного випромінювання показує не дійсну, а так звану радіаційну температуру тіла. При відомому сумарному коефіцієнті чорноти тіла можливий перерахунок з радіаційної температури тіла на його дійсну температуру.
Недоліком пірометрів повного випромінювання є те, що для визначення дійсної температури необхідно знати коефіцієнти чорноти, а точність показань пірометра залежить не тільки від стабільності коефіцієнта чорноти, але і від поглинання випромінювання навколишнім середовищем і оптичною системою пірометра. Пірометри повного випромінювання зручно використовувати тому при вимірюванні дійсної температури, а при вимірах різниць температур в незмінних умовах спостереження.
У пірометра з заломлюючої оптичною системою (рис. 4.71, а) випромінювання від об'єкта 1 через лінзовий об'єктив 2 і діафрагму 3 надходить на приймач повного випромінювання 4. Для наведення на об'єкт виміру служить окуляр 6 з димчастим світлофільтром 5 і діафрагмою 7. Відліковим пристроєм є мілівольтметр 8.
У пірометра з відзеркалювальною оптичною системою (рис. 4.71, б) випромінювання від об'єкта 1 потрапляє на приймач випромінювання 5 після проходження через захисну поліетиленову плівку 2, діафрагму 3 та увігнуте дзеркало 4. Для наведення на об'єкт випромінювання служить зорова труба 6, відлік показань проводиться за шкалою мілівольтметра 7. Поліетиленова плівка прозора для інфрачервоного випромінювання і служить для захисту оптичної системи пірометра від забруднення і потоків повітря.
Квазімонохроматіческіе пірометри часткового випромінювання працюють у вузькому діапазоні довжин хвиль. При вимірі встановлюється зв'язок між дійсною і яркостной температурою
У пірометра зі зникаючою ниткою (рис. 4.72, а) в задній фокальній площині об'єктива 2 розміщується нитка лампи розжарювання 3. Оператор 7 через окуляр 4, діафрагму 5 і фільтр 6 бачить зображення нитки лампи на тлі об'єкта 1. Спостереження ведеться в монохроматичному світлі (зазвичай l = 0,65 мкм), створюваному фільтром з червоного скла. За допомогою реостата силу струму через лампу розжарювання змінюють до тих пір, поки спектральні інтенсивності випромінювання нитки лампи та об'єкта не стануть рівними один одному. У цей момент зображення нитки зникає на тлі об'єкта. Міліамперметр 8 можна переписати в градусах температури.
Пірометр з оптичним круговим клином (рис. 4.72, б) є модифікацією вищеописаного пірометра. У ньому яркостную температуру нитки лампи розжарювання 3 підтримують постійною, а зрівняння яркостей здійснюється переміщенням оптичного клина 2, проникного більше або менше світла від об'єкта 1. За положенням клина можна судити про яркостной температурі об'єкта.
Пірометри спектрального розподілу засновані на використанні залежності інтенсивності спектрального випромінювання нагрітих тіл від температури і довжини хвилі випромінювання. Мірою температури може бути колір випромінюючого об'єкта або відношення спектральних інтенсивностей на двох різних довжинах хвиль.
Оскільки в більшості випадків характер залежності спектральної інтенсивності випромінювання від довжини хвилі приблизно однаковий для чорного тіла і реальних випромінювачів, то і відмінність між колірної і дійсної температурами невелика.
У пірометра порівняння (рис. 4.73, а) відношення спектральних інтенсивностей оцінюється суб'єктивно по колірному відчуття, створюваному сумішшю двох монохроматичних пучків. Випромінювання від об'єкта 1 через об'єктив 2, нейтральний оптичний клин 3 та подвійний світлофільтр 4 прямує до фотометричному кубику 5. Подвійний світлофільтр виконаний у вигляді двох клинів (червоного і зеленого), відносним переміщенням яких можна змінювати співвідношення між інтенсивностями червоного і зеленого кольорів. На фотометричний кубик надходить також випромінювання від лампи розжарювання 12 через матове скло 11, червоний і зелений світлофільтри 10 і об'єктив 9. Через окуляр 6 і діафрагму 7 спостерігач 8 бачить дві ділянки, відповідних випромінювання від об'єкту і лампи, забарвлених сумішшю зеленого і червоного кольорів з різним співвідношенням їх інтенсивностей. Взаємним зсувом оптичних клинів подвійного світлофільтру зрівнюють співвідношення інтенсивностей червоного і зеленого кольорів випромінювання об'єкта і випромінювання лампи розжарювання. Для врівноваження. Співвідношення квітів необхідно рівність яркостей випромінювання об'єкта і лампи. Цього домагаються зміною положення нейтрального оптичного клина 3. Після врівноваження становища нейтрального клину визначають яркостную температуру; положення одного з клинів подвійного світлофільтру 4 визначає кольорову температуру об'єкта.
Оператор, який працює з пірометром порівняння, повинен, звичайно, мати гарний відчуття кольору. У пірометра спектрального відношення (рис. 4.73, б) вводиться модуляція світлового потоку. Світловий потік, пройшовши від вимірюваного об'єкта 1 через об'єктив 2, переривається обтюратором з двома світлофільтрами 4, пропускають випромінювання на двох довжинах хвиль (l1 і l2), до фотоелемента 5. Змінна складова вихідного сигналу фотоелемента посилюється підсилювачем 6 і подається на реверсивний двигун 7, який переміщує врівноважує фільтр 3 до тих пір, поки не зрівняються інтенсивності випромінювання на обох довжинах хвиль. У положенні рівноваги переміщення фільтра є мірою вимірюваної температури.
Основна перевага пірометрів спектрального відношення полягає в незалежності їх свідчень від випромінювальної здатності об'єкта, а також від наявності диму, пилу і випарів в просторі між об'єктом і пірометром.
Цей текст може містити помилки.
Виробництво і технології | Шпаргалка
Схожі роботи:
Взаємозамінність стандартизація і технічні вимірювання
Основи метрології і технічні вимірювання
Взаємозамінність стандартірізація і технічні вимірювання
Нормування точності і технічні вимірювання черв`ячної передачі
Закріплення теоретичних знань з курсу Взаємозамінність стандартизація і технічні вимірювання 3
Закріплення теоретичних знань з курсу Взаємозамінність стандартизація і технічні вимірювання 2
Закріплення теоретичних знань з курсу Взаємозамінність стандартизація і технічні вимірювання
Апаратно-технічні засоби ПК
Технічні засоби підприємства