Способ измерения геометрической формы номинально круглой цилиндрической детали и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к метрологическим устройствам для измерения геометрической формы реальных номинально круглых цилиндрических деталей. Способ заключается в измерении некруглости детали в поперечном сечении в процессе ее вращения с помощью основного измерительного датчика накладного кругломера с самоустанавливающимися опорами. На вертикальной стойке кругломера, связанной со станиной, устанавливают дополнительный измерительный датчик с упором в корпус кругломера. При вращении детали основным датчиком измеряют некруглость профиля поперечного сечения детали, а дополнительным - радиальное биение центра средней окружности этого профиля. При перемещении датчиков вдоль вращающейся детали основной датчик измеряет некруглость профилей поперечных сечений и изменение радиуса средней окружности этих профилей. По величинам этих измерений судят о форме профиля продольного сечения детали. Дополнительный датчик измеряет биения центров средних окружностей, по величине которых судят о прямолинейности оси детали. Некруглость и несоосность контролируемого профиля измеряют относительно базового. Сигналы с датчиков поступают в блок обработки сигналов. Устройство для реализации способа содержит накладной кругломер с самоустанавливающимися опорами, в корпусе которого установлен основной измерительный датчик, а также введен дополнительный измерительный датчик, установленный на вертикальной стойке, связанной со станиной, при этом наконечник датчика установлен с упором в корпус кругломера. Техническим результатом является расширение перечня измеряемых геометрических характеристик номинально круглой цилиндрической детали. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретения относятся к измерительной технике и могут быть использованы в метрологических устройствах для измерения геометрической формы реальных номинально круглых цилиндрических деталей - некруглости в поперечном сечении, формы в продольном сечении (конусность, бочкообразность и пр.), биения рабочей поверхности относительно посадочных шеек под подшипники, реальную пространственную форму оси детали.

Известно приспособление для контроля круглости (SU N 295011, 02.01.67, G 01 B 5/20). Оно содержит корпус с прецизионным шпиндельным узлом, состоящим из гильзы и шпинделя, механизм тонкого центрирования шпинделя, индикатор, щуп которого расположен на нижнем конце шпинделя, причем корпус снабжен трехкулачковым механизмом для установки и закрепления приспособления на проверяемой детали. Результаты контроля круглости не отличаются достоверностью из-за наличия установочных погрешностей, кроме того, ограничена длина измеряемой детали.

Известен способ контроля отклонения от круглости внутренних поверхностей (SU N 1196673, 07.01.83, G 05 B 5/20). Он включает контроль отклонения с помощью отсчетного узла при движении центра прилегающей окружности в процессе вращения измеряемого кольца при упоре в неподвижную базу, а отклонения от круглости контролируют по смещению центра прилегающей окружности в направлении линии, соединяющей окружности и неподвижную базу. Полученная информация является не достаточно достоверной, т.к. контроль отклонения производят по смещению центра прилегающей окружности.

Известно устройство для выполнения метрологических операций на объекте (SU N 1623573, 24.02.87, G 01 B 5/20). Устройство содержит раму, расположенную на четырех амортизированных опорах, изолирующих вибрацию. На раме с помощью дополнительных амортизаторов установлено основание с поворотным столом, на котором установлена деталь, которую предстоит измерять. Датчик с фиксирующим пером, предназначенным для взаимодействия с поверхностью обрабатываемой детали, установлен на каретке, которая приводится в движение от двигателя. Перо выполняет функцию измерения различных характеристик - некруглости, прямолинейности и поверхностной структуры детали. Наконечник фиксирующего пера может перемещаться в любом направлении в пределах прямоугольной зоны функционирования. Устройство представляет собой сложную технологическую конструкцию, в которой не удается исключить полностью вибрации от пола помещения, что влияет на результаты измерений. Кроме того, ограничена длина измеряемой детали.

Известен способ и устройство для измерения некруглостей (патент США, US N 3942253, 03.05.74, G 05 В 5/20).

Устройство содержит измеритель линейных перемещений, радиальные базирующие опоры, которые выполнены в виде многоступенчатых самоустанавливающихся балансиров, расположенных симметрично относительно измерителя линейных перемещений. При вращении детали (без продольной подачи) измерительный датчик фиксирует отклонение от круглости профиля поперечного сечения вала. При измерении некруглости различных диаметров контролируемых деталей необходимо каждый раз проводить измерительные и установочные операции по технологической перенастройке балансиров, охватывающих диаметр. Такое устройство предназначено для измерения одного геометрического размера - некруглости диаметра обрабатываемой детали и для получения данных о форме поверхности, отклонении оси вращения детали требуется проводить дополнительные измерения с применением дополнительного оборудования.

Задача, на решение которой направлены заявляемые изобретения, состоит в повышении универсальности способа и устройства за счет расширения перечня измеряемых геометрических характеристик номинально круглой цилиндрической детали.

Поставленная задача решена следующим образом. Способ измерения геометрической формы номинально круглой цилиндрической детали включает измерение некруглости детали в поперечном сечении в процессе вращения измеряемой детали с помощью основного измерительного датчика накладного кругломера с самоустанавливающимися опорами и отличается тем, что на вертикальной стойке, связанной со станиной, устанавливают дополнительный измерительный датчик с упором в корпус кругломера, и при вращении детали основным датчиком измеряют некруглость профиля поперечного сечения детали, дополнительным датчиком - радиальное биение центра средней окружности этого профиля, а при перемещении датчиков вдоль вращающейся детали основной датчик измеряет некруглость профилей поперечных сечений и изменение радиуса средней окружности этих профилей и по величине этих измерений судят о форме профиля продольного сечения детали, а дополнительный датчик измеряет биения центров средних окружностей, по величине которых судят о прямолинейности оси детали. Кроме того, измеряют некруглость и несоосность контролируемого профиля относительно базового. Кроме того, сигналы с датчиков поступают в блок обработки сигналов.

Устройство для реализации способа по п.1 содержит накладной кругломер с самоустанавливающимися опорами, в корпусе которого установлен основной измерительный датчик, и отличается тем, что введен дополнительный измерительный датчик, установленный на вертикальной стойке, при этом наконечник датчика установлен упором в корпус кругломера. Кроме того, в устройство введен установленный на вертикальной стойке рычаг, в плоскую площадку которого упирается наконечник основного измерительного датчика. Кроме того, в устройство введена поворотная скоба с измерительным датчиком, причем скоба установлена на корпусе кругломера, а наконечник датчика установлен на базовой поверхности. Кроме того, все измерительные датчики связаны с блоком обработки сигнала.

Как правило, при контроле геометрической формы номинально круглой цилиндрической детали (далее детали) для специалистов помимо величины нецилиндричности- Δ, представляют интерес более подробные дифференцированные геометрические характеристики формы поверхности, такие как некруглость в поперечном сечении, форма в продольном сечении (конусность, бочкообразность и пр. ), отклонения от прямолинейности оси детали, биение рабочей поверхности относительно базовой, например, посадочных шеек под подшипники.

Ниже приведены отклонения от заданных геометрических характеристик формы поверхности детали, которые можно измерить с помощью предлагаемых способа и устройства.

1. Некруглость детали в поперечном сечении - Δ₁. Δ₁ - это расстояние точек профиля поперечного сечения детали от его средней окружности (фиг. 3а). Измеренное отклонение Δ₁ = Δ₁(ϕ), где ϕ ∈ [0;2π], позволяет определить форму профиля и величину отклонения от круглости, max Δ₁(ϕ), когда в качестве базовой окружности используется средняя окружность этого профиля.

2. Форма профиля детали в продольном сечении - Δ₂. Δ₂ - это колебание величины радиусов R_ср средних окружностей профилей поперечных сечений вдоль оси детали. В общем случае характеризует форму профиля продольного (осевого) сечения детали, при котором образующие не параллельны и диаметры средних окружностей D_ср. вдоль оси детали не равны. Частными видами форм, при которых Δ₂ ≠ 0, являются бочкообразность, конусообразность, седлообразность и т.п. (фиг. 3 б, в,г).

3. Отклонение от прямолинейности оси детали - Δ₃. В качестве оси принято геометрическое место центров средних окружностей профилей поперечных сечений детали (центры D_ср. с высокой степенью точности совпадают с центрами тяжести этих сечений).

Для определения формы оси измеряют Δ₃ = Δ₃(ϕ) в нормальных сечениях вдоль всей детали (фиг. 3д,е). Измерение Δ₃ предлагаемым способом и устройством возможно даже в том случае, когда величина некруглости соизмерима с Δ₃(Δ₁ ≈ Δ₃). 4. Радиальное биение центров средних окружностей детали - Δ₄. Оно вызвано не только непрямолинейностью оси (Δ₃ ≠ 0), но и нестабильностью положения оси вращения детали в пространстве - Δ₄. (возможно ( Δ₄ ≠ 0 при Δ₃ = 0) (фиг. 3з).

Такое явление происходит, когда деталь установлена на станке либо стенде в патроне или в центрах или в люнетах. Как правило, ось вращения детали не совпадает с ее геометрической осью или меняет свое положение в пространстве. Измерение Δ₄ предлагаемыми способом и устройством возможно даже в том случае, когда величины Δ₁ и Δ₃ на детали соизмеримы c Δ₄. По трем геометрическим характеристикам Δ₁, Δ₂, Δ₃ можно построить трехмерное отображение формы реальной детали в удобном для анализа масштабе, а также вычислить нецилиндричность детали - Δ. Предлагаемые изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен общий вид устройства для измерения, на фиг. 2 - рычажно-шарнирная схема устройства для измерения, на фиг. 3 а,б,в,г,д,е,ж,з - схемы измерения отклонений геометрической формы детали, на фиг. 4 - общий вид устройства для измерения геометрических характеристик - Δ₂, Δ₃, Δ₄, на фиг. 5 - увеличенный вид конструкции измерительного наконечника и опорного рычага.

Устройство состоит из накладного кругломера и измерительного узла.

Кругломер состоит из равноплечего корпуса 1 с самоустанавливающимися опорами, которые представляют собой многоступенчатую рычажно-шарнирную систему призм, расположенных под определенными углами. Каждая ступень кругломера состоит из ползунов и балансиров. Кругломер устанавливают на деталь 2.

На фиг. 1,2,4 приведена конструкция кругломера с двухступенчатыми опорами.

На концах корпуса смонтированы направляющие, по которым перемещаются ползуны первой ступени 3. В нижней части каждого ползуна первой ступени 3 расположена ось вращения (качания) 4, на которой установлен балансир первой ступени 5.

На концах каждого балансира первой ступени 5 расположены с возможностью перемещения вдоль него ползуны второй ступени 6. В нижней части каждого ползуна второй ступени 6 смонтированы оси 7, на которых установлены балансиры второй ступени 8 - призматические башмаки. Так как поверхность башмаков контактирует с поверхностью измеряемой детали, то она снабжена вставками из разных материалов (твердого сплава, фторопласта и т.п.). Материал вставок зависит от материала и качества поверхности измеряемой детали.

В центре корпуса 1 установлен измерительный датчик 9, который фиксирует отклонения от круглости. Датчик опирается на стержень, измерительный наконечник которого контактирует с измеряемой поверхностью детали.

Корпус 1 шарнирно установлен на рычаге 10, на другом конце которого установлен противовес 11 для компенсации веса устройства. Рычаг 10 шарнирно крепится к стойке 12, которая может быть установлена, например, на станину, суппорты, шлифовальную бабку станка.

Измерительный узел состоит из расположенного на стойке 12 поворотного рычага 13, на конце которого установлен измерительный датчик 14. Наконечник датчика упирается в горизонтальную площадку 15 корпуса 1 кругломера.

Возможен другой вариант конструкции, при котором функции датчика 14 будет выполнять датчик 9 (фиг. 4,5). Для этого вместо датчика 14 вводят кронштейн 16, в плоскую площадку которого упирается наконечник датчика 9. Рычаг 16 установлен на стойке 12 и, при необходимости, может быть отведен в строну. На фиг. 5 показано в увеличенном масштабе расположение площадки рычага и измерительного наконечника датчика 14.

На корпусе кругломера 1 установлена поворотная скоба 17 с измерительным датчиком 18, которая при необходимости может быть отведена в сторону. При вращении детали датчик 18 измеряет некруглость и несоосность контролируемого профиля относительно базового.

При измерении геометрической формы детали сигналы с измерительных датчиков 9, 14, 18 поступают в блок обработки сигналов 19. Туда же могут поступать сигналы с датчика угла поворота детали и датчика перемещения устройства вдоль детали (на рисунках не показаны).

Измерение геометрических характеристик детали производят следующим образом. Корпус 1 кругломера опускают на контролируемую поверхность вращающейся детали 2 и он под действием веса прижимается к ней самоустанавливающимися опорами. Проводят настройку измерительного датчика 9.

Многоступенчатые опоры свободно поворачиваются вокруг осей O₁-O₈ (фиг. 2), обеспечивая постоянный контакт башмаков 8 с контролируемой поверхностью детали. Рычажно-шарнирная система устройства, имеющая восемь степеней свободы в плоскости измеряемого профиля, обеспечивает постоянное слежение измерительного датчика 9 за поверхностью контролируемой детали. При этом изменение траектории точки О - центра средней окружности контролируемого профиля вала не влияет на показания измерительного датчика 9, фиксирующего некруглость опорного сечения вращающегося вала.

Контакт башмаков кругломера с поверхностью контролируемой детали осуществляется в точках, лежащих на средней окружности и определенных постоянно заданными углами μ₀, μ₁, μ₂ (фиг. 2), где: μ₀ - угол между вертикальной осью кругломера и осью качания балансира первой ступени (точка О₆), μ₁ - угол между осями, проведенными через точку О₁ - точку качания балансиров второй ступени и точку О₆, μ₂ - угол между осями, проведенными через точку О₁ и середину опорной поверхности одного плеча башмака.

При вращении детали (без продольный подачи) измерительный датчик 9 фиксирует отклонение от круглости профиля поперечного сечения вала, а измерительный датчик 14 фиксирует радиальное биение центра средней окружности этого же профиля.

При включении продольной подачи устройство перемещается вдоль относительно вращающегося вала так, что наконечник датчика 9 описывает на поверхности вала винтовую линию с шагом, равным величине продольной подачи за оборот.

В этом случае датчики 9 и 14 фиксируют, помимо отклонения от круглости и радиального биения контролируемых сечений вала, также и изменение диаметров средней окружности вдоль оси (конусность, бочкообразность и т.п.).

Зависимость между изменениями показаний датчиков 9 и 14 и изменениями диаметров сечений средних окружностей вдоль оси вала имеет следующий вид:
Δ₉ = (1-λ)Δr, (1)
где Δ₉ - изменение показаний датчика 9 при движении устройства вдоль детали, у которой радиусы средних окружностей разных сечений отличаются на величину Δr,
λ - коэффициент пропорциональности, λ = (cosμ₀·cosμ₁·cosμ₂)^-1,
Δ₁₄ = λΔr, (2)
где Δ₁₄ - изменение показаний датчика 14 при движении устройства вдоль детали, у которой радиусы средних окружностей разных сечений отличаются на величину Δr,
Например, для случая, когда μ₀ = 39^o, μ₁ = 20^o, μ_2/= 10^o, λ приблизительно равна 1,39, а следовательно, Δ₉ = -0,39Δr, и Δ₁₄ = 1,39Δr.
Датчик 18 измеряет отклонение от круглости (некруглость) и несоосность контролируемого профиля относительно базового. Зная изменения показаний датчиков 9 или 14 при движении устройства вдоль детали и изменения показаний датчика 18, можно определить изменение диаметра детали, которая контролируется датчиком 18.

Предлагаемые изобретения найдут применение в тех областях техники, где требуется измерять круглости сечений валов, конусность, бочкообразность, седлообразность, кривизну оси детали, а также биение одной поверхности относительно другой.

Формула изобретения

1. Способ измерения геометрической формы номинально круглой цилиндрической детали, включающий измерение некруглости детали в поперечном сечении в процессе вращения измеряемой детали с помощью основного измерительного датчика накладного кругломера с самоустанавливающимися опорами, отличающийся тем, что на вертикальной стойке, связанной со станиной, устанавливают дополнительный измерительный датчик с упором в корпус кругломера и при вращении детали основным датчиком измеряют некруглость профиля поперечного сечения детали, дополнительным датчиком - радиальное биение центра средней окружности этого профиля, а при перемещении датчиков вдоль вращающейся детали основной датчик измеряет некруглость профилей поперечных сечений и изменение радиуса средней окружности этих профилей, по величинам этих измерений судят о форме профиля продольного сечения детали, а дополнительный датчик измеряет биения центров средних окружностей, по величине которых судят о прямолинейности оси детали.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют некруглость и несоосность контролируемого профиля относительно базового.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сигналы с датчиков поступают в блок обработки сигналов.

4. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее накладной кругломер с самоустанавливающимися опорами, в корпусе которого установлен основной измерительный датчик, отличающееся тем, что введен дополнительный измерительный датчик, установленный на вертикальной стойке, связанной со станиной, при этом наконечник датчика установлен с упором в корпус кругломера.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что введен установленный на вертикальной стойке кронштейн, в плоскую площадку которого упирается наконечник основного измерительного датчика.

6. Устройство по пп.4 и 5, отличающееся тем, что введена поворотная скоба с измерительным датчиком, причем скоба установлена на корпусе кругломера, а наконечник датчика установлен на базовой поверхности.

7. Устройство по пп.4 - 6, отличающееся тем, что датчики связаны с блоком обработки сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5