Отсчетные измерительные устройства

В современном машиностроительном производстве отсчетные измерительные устройства получают все большее и большее распро­странение. Их удельный вес среди всей массы измерительных средств непрерывно увеличивается. Происходит это в основном за счет умень­шения применяемости калибров.

Это явление объясняется необходимостью более широкого при­менения шкальных измерителей во всех случаях контроля за пра­вильностью наладки и протекания технологического процесса, при осуществлении статистического метода контроля и во многих случаях, когда необходимо знать действительные числовые значения проверяемых величин.

Номенклатура отсчетных (шкальных) измерительных устройств многочисленна и разнообразна. Различаются они по способу осу­ществления передаточного отношения для превращения незначи­тельных изменений размеров в значительно более крупные переме­щения указателя измерительного устройства.

В конструкциях контрольных приспособлений наиболее широко применяют рычажно-механические, пневматические, электроиндук­тивные и другие отсчетные измерительные устройства.

Рычажно-механические измерительные устройства являются наи­более распространенными в конструкциях контрольных приспособле­ний. К ним относятся чисто рычажные измерители (индикатор с ценой деления 0,2 мм, миниметр), зубчатые (индикаторы часового типа), рычажно-зубчатые и др.

Индикатор рычажный с ценой деления 0,2 мм (фиг. 36) распространен при контроле деталей с проверяемыми допу­сками порядка 1 мм и более, когда требуется знать действительное значение проверяемого размера. Особенно широкое применение нахо­дит этот индикатор при контроле заготовок (отливок и поковок) и деталей, получаемых холодной штамповкой, когда использование индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм не оправдывается требуемыми точностями изготовления деталей. Кроме того, индикатор часового типа стоит дороже, быстро засоряется и изнашивается в условиях работы заготовительных цехов.

В рычажном индикаторе с ценой деления 0,2 мм используется простая рычажная передача — рычаг с двумя плечами: коротким и длинным.

В отверстии корпуса 7 перемещается стержень 8, в верхней части которого укреплена поперечная планка 5. Штифт 4, установлен­ный в планке 5, упирается в короткое плечо рычага 2, длинное плечо которого перемещается отно­сительно шкалы 1.

Пружина 6 оттягивает измерительный стержень вниз, создавая требуемое измерительное усилие.

Регулирующий винт 10 ограничивает перемещение вниз измери­тельного стержня и одновременно позволяет производить измерение на разных участках шкалы.

Непосредственно с проверяемой поверхностью детали сопри­касается сменный измерительный шарик 9, предохраняющий стер­жень от износа, что очень важно, так как индикатор предназначен для проверки деталей с грубыми необработанными поверхностями.

Крышка 3 закрывает механизм индикатора.

Крепление индикатора в контрольном приспособлении произ­водится за хвостовик диаметром 20 мм корпуса 7.

Предел измерения индикатора 10 мм; передаточное отношение 10:1; измерительное усилие 400 г; погрешность показаний в пределах участка шкалы в 1 мм не превышает 0,2 мм и впределах всего интервала шкалы 0,4 мм.

Практическое применение рычажного индикатора с ценой деле­ния 0,2 мм продемонстрировано в примере приспособления для конт­роля направляющего колеса, приведенном выше на фиг. 28.

Миниметр является измерительным устройством, построен­ным по принципу неравноплечих механических рычагов, преобра­зующих линейные перемещения в угловые. Передаточный механизм миниметра (фиг. 37, а) состоит из из­мерительного шпинделя и двуплечего (короткого и длинного) рычага, установленных в трубке.

Малым плечом п является рас­стояние между ножевыми опорами, большим—длина стрелки R.

Чувствительность миниметра определяется отношением .

Миниметры могут быть двух видов: широкошкальные и узкошкальные.

Отечественная промышленность выпускает в настоящее время широкошкальный миниметр типа МН, -основные данные которого, находящиеся в соответствии с ОСТ 20102, приведены в табл. 1.

Габаритные размеры и общий вид миниметра приведены на фиг. 37, 6. Миниметры являются наиболее распространенными измерите­лями, применяемыми в конструкциях контрольных приспособле­ний и приборов подшипниковой промышленности.

Недостатком передаточного механизма миниметра является непро­порциональность перемещения измерительного шпинделя и стрелки относительно шкалы.

Это ограничивает пределы возможных измерений и, кроме того, исключает поворот шкалы для установки стрелки на нулевое деление. Последнее обстоятельство вынуждает предусматривать возможность продольного (по оси измерительного шпинделя) перемещения всего миниметра при установке и закреплении его в соответствующем гнезде контрольного приспособления.

Индикатор часового типа является измерительным устройством, наиболее распространенным и широко применяемым в конструкциях контрольных приспособлений. Особенно широко он применяется в автомобильной, тракторной и других отраслях машиностроительной промышленности.

В индикаторах часового типа, основные данные которых регла­ментированы ГОСТ 577-53, используются зубчатые передачи, преоб­разующие линейные перемещения измерительного стержня в про­порциональные угловые перемещения стрелки. Это является важным достоинством индикаторов, позволяющим предусматривать большие пределы измерения по шкале, а также поворот всей шкалы для уста­новки стрелки на нулевое деление.

Отечественная промышленность выпускает следующие индика­торы часового типа: ИЧ-10, ИЧ-5, ИЧ-2, ИЧТ-2, ИЧМ-2.

Индикаторы ИЧ-10 и ИЧ-5 (фиг. 38, а) различаются между собой лишь пределами измерения. Индикаторы имеют дополнительную шкалу с малой стрелкой, отмечающей полные обороты большой стрелки. Индикаторы выпускают с ушком или без ушка в зависимо­сти от метода крепления их в конструкции контрольного приспо­собления.

Индикатор ИЧ-2 (фиг. 38, б) — малогабаритный и имеет меньший вес. Это весьма важно применительно к конструктивным требова­ниям, которые подчас выдвигаются при проектировании контрольных приспособлений.

Основные данные индикаторов ИЧ-10, ИЧ-5 и ИЧ-2 приведены в табл. 2.

Индикатор ИЧТ-2 (фиг. 38, б) является модификацией индика­тора ИЧ-2 и, помимо основного измерительного стержня, имеет еще дополнительный измерительный стержень, ось которого перпенди­кулярна плоскости шкалы. Перемещения дополнительного измери­тельного стержня передаются основному, а следовательно, и стрелке индикатора через равноплечий рычаг.

Дополнительный измерительный стержень значительно расши­ряет возможности данного индикатора, позволяет осуществлять тор­цевые измерения, не вводя в конструкцию контрольного приспособле­ния излишних угловых рычажных передач, которыми усложняется конструкция и снижается его точность.

Основные данные индикатора ИЧТ-2 соответствуют данным индикатора ИЧ-2 согласно табл. 2.

Индикатор ИЧМ-2 (фиг. 38, г) обеспечивает более высокие точно­сти измерения.

Высокие передаточные отношения обеспечивают широкое при­менение данного индикатора в конструкциях контрольных приспо­соблений.

Основные данные индикатора ИЧМ-2 приведены в табл. 3. 

Большие достоинства имеет полностью герметичный индикатор, выпускаемый американской фирмой “Федерал” (фиг. 39).

Механизм индикатора заключен в строго герметичный корпус. Подвижные части защищены сверху специальной гайкой и снизу резиновой “гармошкой”. Индикатор имеет счетчик чисел оборотов, его шкала поворачивается для установки на нулевое деление.

Индикатор рассчитан на длительную работу в среде из распылен­ной жидкости или частиц абразива. Это делает его незаменимым в конструкциях приспособлений для контроля деталей в процессе обработки (особенно на шлифовальных станках).

Микромер рычажно-зубчатый совмещает в себе рычажную и зубчатую передачи. Кинематическая схема микромера типа ММ состоит из двух неравноплечих рычажных пар и одной зуб­чатой пары. В конструкцию механизма микромера введено дополни­тельное устройство, компенсирующее его погрешности. В целях еще большего повышения чувствительности микромера все его оси вра­щаются в каменных опорах.

Хорошая стабильность микромера типа ММ и разгруженность его конструкции дает возможность перемещать измерительный стержень в пределах более 2 мм. Это позволяет включить в конструк­цию данного микромера арретир.

Малые габариты (фиг. 40) и вес данного измерителя наряду с высо­кой точностью обеспечили его применение в часовой промышленности.

Основные данные микромера рычажно-зубчатого типа ММ при­ведены в табл. 4.

В часовой промышленности применяют и другие типы рычажно-зубчатых микромеров, иногда называемых миллимессами, в частно­сти такие, кинематическая схема которых включает одну рычажную и две зубчатые пары.

Индикатор рычажно-зубчатый имеет пере­даточный механизм из неравноплечего рычага и зубчатой передачи (сектор и триб с отсчетной стрелкой).

Измерительный рычаг (малое плечо рычага) связан с зубчатым сектором (большое плечо рычага) рифленым торцом. Это дает возмож­ность измерительному рычагу устанавливаться в различных поло­жениях, поворачиваясь вокруг своей оси на любой угол в пре­делах 180°.

Достоинством рычажно-зубчатого индикатора являются простота кинематической схемы, стабильность и точность измерения.

Кроме того, индикатор имеет на задней стенке переключатель рабочего хода измерительного рычага, позволяющий производить измерения при двух взаимно противоположных направлениях изме­рительного усилия.

Индикатор имеет два присоединительных размера (фиг. 41): гильзу диаметром 14 мм и присоединительный штифт диаметром 8 мм в верхней части корпуса.

Основные данные рычажно-зубчатого индикатора типа ИР, соответствующие ГОСТ 5584-50, приведены в табл. 5.

Пневматические из­мерительные приборы обладают многими существенными преимуществами перед другими измерительными устройствами, применяемыми в конструкциях контрольных приспособлений.

К достоинствам пневматическо­го метода измерения относятся:
1) высокая точность измерения при больших передаточных отно­шениях;
2) возможность измерения бесконтактным методом, т. е. без соприкосновения с проверяемой поверхностью детали, что предо­храняет прибор от износа и исключает погрешности, вызываемые усилиями измерения;
3) возможность изменения в широких пределах интервала изме­рений и цены деления;

4) широкая и разнообразная область практического производ­ственного применения вплоть до таких сложных измерений, как проверка глубоких отверстий, отверстий малого диаметра до 2 мм, контроля чистоты поверхности, контроля точности взаимного поло­жения различных поверхностей, автоматического контроля и др.;

5) конструктивная простота приборов, а также калибров и приспособлений к ним, легкость и дешевизна их изготовления, удобство в эксплуатации, долговечность в работе.

Недостатком пневмати­ческих измерительных при­боров является их чув­ствительность к чистоте проверяемых поверхностей деталей. Грубая поверх­ность детали может выз­вать значительные погреш­ности при пневматическом методе контроля.

Кроме того, пневмати­ческие измерения требуют, помимо калибра или кон­трольного приспособления, установки сравнительно громоздкого прибора.

Применение пневматического метода измерения основано:

а) на измерении давления воздуха, зависящего от величины контролируемого зазора, через который он проходит, или

б) на измерении расхода воздуха, проходящего под постоянным давлением через контролируемый зазор и зависящего от величины этого зазора.

Первая схема использована в пневматических измерительных приборах с водяными манометрами; вторая — в приборах с поплав­ковыми устройствами.

Схема работы прибора с водяным манометром приведена на фиг. 42.

Источник сжатого воздуха через патрубок 1 соединен с трубкой 2, погруженной на определенную глубину Я в воду, заполняющую резервуар 3.

Резервуар 3 в верхней своей части соединен с атмосферой. Воздух полностью вытесняет воду из трубы 2 в резервуар; таким образом, в трубе установится постоянное избыточное давление, равное давле­нию водяного столба Н.

Воздух установившегося измерительного давления из трубы 2 направляется через головное сопло f в камеру 4, из которой он выходит через выходное сопло F калибра (или приспособления), ветречая сопротивление щели, образованной зазором между поверхностью проверяемой детали и торцом сопла.

Таким образом, в камере 4 установится какое-то давление, отлич­ное от давления в трубе 2 и зависящее от действительной величины зазора а между поверхностью контролируемой детали и торцом выходного сопла F калибра или контрольного приспособления.

Для измерения давления воздуха в камере 4 предусмотрен водя­ной манометр — стеклянная трубка 5, верхняя часть которой соеди­нена с камерой 4, а нижняя — с резервуаром 3.

При атмосферном давлении в камере 4 вода в резервуаре 3 и стеклянной трубке 5, являющихся сообщающимися сосудами, уста­новится на одном уровне.

Однако при работе прибора давление в камере 4 будет выше атмо­сферного и может достигнуть давления в трубе 2, следовательно, воздух вытеснит часть воды из смотровой трубки 5 в резервуар.

Изменение высоты водяного столба h в трубке 5 будет свидетель­ствовать о разности давления воздуха в трубе 2 и камере 4, вызы­ваемой фактическими изменениями в величине контролируемого размера а.

Водяной столб в смотровой стеклянной трубке 5 перемещается перед соответственно градуированной шкалой 6, это дает возмож­ность по колебаниям давления h непосредственно отсчитывать дей­ствительные величины проверяемого размера а.

Передаточное отношение прибора определяется глубиной погру­жения трубы 2 в резервуар с водой, т. е. величиной H.

При работе с водяными манометрами высота H принимается, как правило, 500 мм.Это обеспечивает измерительное давление примерно до 0,05 ати. Цена деления шкалы прибора составляет 1 мк при пределе измерения, не превышающем 0,08 мм. При этом размер деления в средней части шкалы достигает 5 мм, а по краям шкалы вследствие ее неравномерности снижается до 2 мм. Таким образом, передаточное отношение в пределах шкалы одного прибора может изменяться от 2000:1 до 5000:1. Неравномерность шкалы сильно ограничивает участок ее, который делается рабочим; как правило, он не превышает половины общей длины шкалы, располагаясь в сред­ней части.

Повышение точности прибора за счет увеличения измерительного давления требует увеличения габаритов самого прибора с тем, чтобы обеспечить большую глубину H погружения трубы 2 в воду.

Замена воды ртутью (что делается в ряде случаев) не всегда решает вопрос, так как за счет разницы в удельном весе в 13,6 раза сократятся интервалы деления шкалы, что при визуальной проверке недопустимо.

Крупным недостатком пневматического измерительного прибора с жидкостным (водяным или ртутным) манометром является его инер­ционность.

Столб жидкости в смотровой трубке прибора перемещается вяло. Это требует некоторой выдержки во времени между установкой детали на. контроль и отсчетом результата измерения с тем, чтобы снизить возможность погрешности за счет преждевременного изме­рения.

Что еще хуже — перемещение столба жидкости в смотровой стеклянной трубке манометра замедляется по мере приближения его к точке успокоения.

Недостатком является также малое измерительное давление воздуха, что вынуждает предъявлять повышенные требования к очистке поверхностей деталей, поступающих на измерение.

Наличие тонкого слоя воды, охлаждающей эмульсии, керосина, даже налета пыли может привести к погрешности в измерениях, так как давление воздуха ока­жется недостаточным, чтобы сдуть тонкую пленку, покры­вающую проверяемую поверх­ность детали.

Быстрое испарение воды, особенно в жаркую погоду, требует постоянного наблюде­ния за ее уровнем в резер­вуаре.

В последние годы за грани­цей появились пневматические измерительные приборы высо­кой точности с манометрами, построенные на дифференциаль­ной системе давления. Наибо­лее интересным из этой группы является прибор под назва­нием «Дименсионэр» американ­ской фирмы «Федерал», схема действия которого приведена на фиг. 43, а.

Пройдя фильтр 1 и стабилизатор давления 2 с манометром 3, воздух разделяется на два потока, из которых один направляется к входному соплу 4, а другой — к соплу противодавления 5. От входного сопла 4 воздух поступает в калибр 6 и выходит в атмо­сферу через зазоры между проверяемым отверстием и торцами выход­ных сопел. От сопла противодавления 5 воздух уходит в атмосферу через клапан 7 с регулируемым сечением. Обе линии движения воз­духа связаны между собой сильфоном 8, расположенным в корпусе 9.

Связь обеих линий движения воздуха выполнена таким образом, что линия, питающая калибр 6, воздействует на внутреннюю полость сильфона, а линия, связанная с клапаном 7,— на внешнюю. Изме­нение высоты сильфона регистрируется индикатором 10.

Если через клапан 7 будет проходить такое же количество воз­духа, как и через выходные сопла калибра 6, то давление на сильфон снаружи и изнутри будет одинаковым и стрелка1индикатора останется на нуле. Изменение размера проверяемого отверстия изделия вызовет отклонения давления воздуха на участке между входным соплом 4 и калибром 6. Следовательно, изменится давле­ние и во внутренней полости сильфона. Это приведет к изменению высоты сильфона, что будет отмечено индикатором 10.

Дифференциальная система прибора заключается именно в этом движении воздуха двумя взаимно связанными потоками, из которых один имеет постоянное давление, а во втором давление изменяется в зависимости от размера проверяемого изделия.

Путем регулирования выходного сечения клапана 7 изменяется настройка прибора и установка стрелки его индикатора на нулевое деление шкалы.

Внешний вид прибора (без калибра) виден на фиг. 43, б. По фир­менным данным, прибор имеет передаточное отношение 5000 при цене деления 0,0005 мм. До­стоинствами прибора, помимо точности изме­рения, являются бы­страя и простая налад­ка, легкость управле­ния, простота ухода.

Схема работы прибора с поплавковым устройством приведена на фиг. 44.

Сжатый воздух последовательно проходит через фильтр 1, два мембранных пружинных стабилизатора давле­ния 2 и второй фильтр 3, чем устанавливается строго постоян­ное рабочее измерительное давление и тщательная очистка воз­духа.

Далее воздух поступает снизу вверх в вертикально расположен­ную смотровую стеклянную трубку 4 с конусным отверстием, распо­ложенным большим сечением вверх.

В отверстии трубки 4 находится свободно перемещающийся вверх и вниз легкий поплавок 5, поддерживаемый во взвешенном состоянии динамическим напором воздушного потока, проходящего снизу вверх.

Верхний конец трубки 4 соединяется резиновым шлангом с кон­трольным приспособлением (или калибром), через выходное сопло 7 которого воздух проходит в зазор а между проверяемой поверхно­стью детали и торцом сопла.

Изменение расхода воздуха заставляет поплавок, поддерживаемый проходящим потоком воздуха в конусной смотровой трубке, уста­навливаться там, где кольцевой зазор между ним и внутренними стенками смотровой трубки соответствует данному расходу. Если расход воздуха больше, поплавок поднимается, если меньше, попла­вок опускается.

Таким образом, каждому зазору, т. е. каждому проверяемому размеру, соответствует свой расход воздуха и свое положение по­плавка в смотровой трубке. Этим положением поплавка относительно специально градуированной шкалы прибора и оценивается дей­ствительный размер проверяемой детали.

Возможность регулирования настройки мембранных пружинных стабилизаторов давления 2 позволяет выбрать оптимальную величину рабочего давления, которое колеблется в пределах от 0,3 до 0,7 ати.

Поплавки предусматриваются разного веса при одинаковых наружных диаметрах. Необходимость в поплавках разного веса вызывается тем, что вес поплавка, равно как и конусность отвер­стия смотровой трубки, соотношение наименьшего ее внутреннего диаметра с наружным диаметром поплавка и величина измеритель­ного давления воздуха являются факторами, определяющими чув­ствительность прибора.

Возможности настройки и регулирования прибора повышаются включением в его конструкцию дополнительного крана 6, откры­вающего выход воздуха через обводной канал.

Пневматические приборы с поплавковыми устройствами, удов­летворяющие требованиям технических условий ГОСТ 5405-50, изготовляет завод «Калибр» со смотровыми трубками с конус­ностью 1:400 и 1:1000.

Основные данные этих приборов приведены в табл. 6.

Для повышения производительности контроля приборы с поплав­ковыми устройствами (как, впрочем, и приборы с водяными мано­метрами) можно делать многомерными — с двумя и более смотро­выми трубками — для одновременной проверки двух и более раз­меров детали.

Для повышения пределов измерения по шкале возможно изго­товление многотрубных поплавковых приборов. За счет введения вместо одной конусной трубки нескольких, последовательно соеди­ненных трубок может быть достигнута растяжка шкалы, увеличи­вающая предел измерения более чем в два раза. Следует отметить, что многотрубные приборы пока не получили практического рас­пространения.

Приборы с поплавковыми устройствами имеют ряд серьезных преимуществ по сравнению с приборами с жидкостными мано­метрами.

1) более высокую производительность вследствие малой, практи­чески почти неощутимой инерционности. Поплавок прибора мгновенно и устойчиво реагирует на малейшие изменения расхода воздуха;

2) прибор работает на повышенном измерительном давлении,, величину которого можно регулировать в пределах примерно 0,3 — 0,7 ати. Это позволяет снизить требования к отсутствию загрязненности поверхностей проверяемых деталей; измерительное давление воздуха оказывается достаточным, чтобы сдуть тонкую пленку влаги или пыли;

3) равномерную шкалу прибора, что позволяет снизить егс габариты за счет полезного использования всей длины шкалы.

Оба основных типа пневматических измерительных приборов (с жидкостными манометрами и с поплавковыми устройствами) нормально работают при давлении поступающего воздуха от 3 до 5 ати. Сжатый воздух, питающий приборы, можно получать от заводской магистрали или от отдельных компрессорных установок.

Пневматические измерительные приборы работают в сочетании с контрольными приспособлениями или калибрами, которые непо­средственно связаны с проверяемыми деталями.

Возможности практического производственного применения пневматического метода измерения чрезвычайно широки и разно­образны. При помощи всевозможных контрольных приспособлений или калибров [12], [13], большей частью несложной конструкции, пневматические измерительные приборы обеспечивают проверку диаметров отверстий валов, контроль взаимного положения (непер­пендикулярности, непараллельности и пр.) различных поверхностей, измерение чистоты поверхности, плотности сопряжения деталей и др. Пневматический метод контроля успешно применяется в конструк­циях приспособлений для автоматического контроля в процессе обработки деталей, а также при автоматизации окончательного контроля.

Следует отметить, что конструкции контрольных приспособле­ний и калибров для приборов как с водяными манометрами, так и с поплавковыми устройствами совершенно одинаковы. Каждое приспособление или калибр может работать с пневматическим изме­рительным прибором любого типа, разумеется, после соответствую­щей градуировки шкалы.

Сопоставление приборов с водяными манометрами и с поплавко­выми устройствами показывает, что во всех случаях, когда имеется возможность свободного выбора между ними, не обусловленная никакими особыми обстоятельствами, предпочтение должно быть отдано пневматическому измерительному прибору с поплавковым устройством.

Индуктивные измерительные устройства [2] строят на принципе использования индуктивного сопротивления обмоток электромагнита переменного тока, вызываемого перемеще­нием стального якоря в воздушном зазоре электромагнита.

Различают индуктивные измерители безрычажные (изменение воздушного зазора равно перемещению измерительного стержня) и рычажные (изменение воздушного зазора превышает перемещение измерительного, стержня).

Более целесообразными являются рычажные электроиндуктивные измерительные устройства благодаря высокой точности, возможности регулирования воздушного зазора и наличию свободного хода измерительного стержня; этих достоинств безрычажные измерители лишены.

Визуальные индуктивные измерительные устройства, которые по ГОСТ 5405-50 названы индуктивными микромерами, имеют цену деления 0,001 и 0,002 мм при предельной погрешности измерения в пределах 0,5 деления и измерительном усилии до 400 г.

Номенклатура отсчетных измерительных устройств далеко не исчерпывается приведенными выше примерами. Известны такие измерители, как микрокаторы (с передаточным механизмом в виде закрученной плоской пружины), ортотесты, рычажно-оптические измерительные приборы (типа «Микрозис» и фирмы «Шеффилд» и др.), оптические, интерференционные приборы и т. д. Однако все они по тем или иным причинам не применяются в конструкциях контрольных приспособлений и потому в настоящей работе не рассма­триваются.