CC BY
21
УДК 006.91:531.71:621.886.112
МЕТОДЫ ДВУХМЕРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ШТИФТОВ
В. В. Пшеничникова. Д. Б. Мартемьянов
Омский государственный технический университет, г.Омск, Россия
Аннотация - При расчете допускаемых погрешностей измерений должны учитываться как инструментальный погрешности гррдгтн тмрррнпп, так и методические погрешности, зависящие от отклонений влияющих величин. Погрешности методов измерений размеров создаются неучтенными отклонениями формы измеряемых поверхностей. Разработана геометрическая модель гладкого цилиндрического штифта с указанием первичных погрешностей.снстем координат и баз. И на ее основе разработаны методы измерений отклонений формы цилиндрических штифтов в продольных и поперечных сечениях. По данным измерений построены реальные поверхности штифта. Предложены правила измерения отклонений формы. Приведенные методы измерений раскрывают методические погрешности измерения, которые зависят от вида отклонений формы и их значений.
Ключевые слова: геометрическая модель, погрешности измерения, цилиндрическая поверхность, метод измерений.
I. Введение
В действующих стандартах указываются различные системы отсчета геометрических характеристик, таких как отклонения расположения и формы, линейные и угловые размеры, что не позволяет комплексно нормировать точность геометрических элементов детален н изделий в целом. Все это является причиной снижения качества мапшно- н приборостроительной продукции еще на процессе проектирования.
Исследованиями поведения гладких цилиндрических поверхностей в сопряжениях занимаются зарубежные и российские исследователи. Мало уделяется внимания на построение геометрических моделей и разработке методов измерения геометрических характеристик штифтов.
Основным метрологическим документом, на оснозанни которого в технологических процессах контролируется точность геометрических характеристик детален и изделий, должна стать методика (методы) измерений, определенная в стандартах. Метод измерения является индивидуальным и разрабатывается для конкретного объекта измерения. Он должен содержать индивидуальные базы, системы отсчёта и состав геометрических характеристик каждой детали, модель объекта измерений, схемы измерений, а также аттестат, подтверждающий достоверность измерительной информации на основе оценки погрешности измерений каждой величины. И поэтому метод измерений является обязательным для указанияв технологических процессах.
П. Постановка задачи
В работе [1] описана методологнянормнровання линейных и угловых элементных и координирующих размеров. отклонений формы и расположения элементов деталей, образованных плоскими и цилиндрическими поверхностями на конкретных примерах штифтовых соединений. На основе геометрических моделей штифтовых соединений показано, как влияют отклонения расположения и формы на характер посадок н собираемость многослойных сборочных единиц. Предложены методы исключения избыточности базирования при сопряжении детален относительно друг друга (соединение крышки и корпуса) с использованием двух штифтов.
Точность деталей и изделий в целом формируется и проявляется на всех процессах жизненного цикла продукции: проектирование - производство - контроль - эксплуатация.
Метрологическое обеспечение измерений геометрических характеристик деталей должно рассматриваться в тесном единстве с метрологическим обеспечением процессов проектирования и технологии их производетта. опираться на качественное нормирование допусков величин в системах координат, образованных комплектами баз с учетом их информативности на основе статической определимости базирования.
Поэтом}- необходимо обратить особое внимание на оценку погрешности метода измерения как основной составляющей мсюдичссксй шлрешноеш. которая оцениваете* индииидуа.1ьно дш каждою конкретною измерения и не входит в структуру допускаемых погрешностей измерений.
Ш. теория
Метод измерения должен соответствовать стандартному определению термина отклонения и разрабатываться на основе построения геометрической модели объекта измерения. Геометрическая модель объекта измерения должна содержать все размерные и геометрические первичные погрешнсстн объекта измерения и за
комплекта баз (обобщенная система координат детали н вспомогательная система координат, в которой рассматриваемый элемент выполняет свое служебное назначение). На основе построенной геометрической модели штифта (рис. 1) разработаны методы измерений гладкого цилиндрического штифта [2].
X?
0У0
X?
л 2\2\
о\е\1
С ого л 0 1 Л
1 **
<ь
к 2 }
/ Й
а"!
г, Щ7]
г/'
и* >и\
6)
Рис. 1. Штифт гладкий цилиндрический: а) базы н система координат, б) геометрическая модель
Все реальные поверхности элементов деталей имеют отклонения формы этих поверхностей, которые имеют собственные размеры и допуски ГОСТ Р 53442-2009 (ИСО 1101:2004). Отклонения формы - это отклонения от правильной геометрической формы поверхностей в продольном и поперечном сечениях. При измерении статистически определимых детален обеспечивается более высокая точность измерения за счет исключения погрешности базирования.
Для разработки геометрической модели детали и для потного учета всех отклонений необходимо учитывать первичные погрешностей элементов штифта. Измерительная информация, получаемая при измерениях цилиндрических штифтов, необходима дня обеспечения кзчества деталей и изделий. И эта информация должна быть достоверной. Измерительными базами при измерении отклонений формы являются сами измеряемые поверхности. Отсчет отклонений происходит по прилегя-оптим (реальным) поверхностям При измерении отклонений формы должны исключаться волнистость н шероховатость поверхностей выбором радиуса измерительного наконечника. Вышесказанное то зволит исключить или значительно снизить методическую погрешность измерений.
Схемы измерения отклонения формы штифта вктючают в себя: схему измерения от круглостн (рис. 2). схему измерения продольного сечения (отклонение от цнлнндрнчностн) (рис. 3) и схему измерения диаметра штифта (прямотинейноггь оги пттифта) для нахождения минимума материала (Т.) и максимума материала (М) диаметров (рис 4).
Рис. 2. Схема измерения отклонения формы поперечного профиля штифта (отклонение от крутости): 1 - измерительный преобразователь; 2 - объект контроля (штифт); 3 - призма
IV. результаты эксперимента
Схема измерения отклонения формы поперечного профиля (отклонение от круглостн) штифта изображена на (рис. 2). Характер отклонения формы поперечного профиля определяется выбором схемы измерения. Овальность может выявить двухточечная схема измерения, а огранку только трехточечная.
На (рис. 2) изображена трехточечная схема измерения Узкая призма дает две точки контакта с поверхностью пттифта. Измерительный наконечник индикатора дает третью точку контакта с поверхностью штифта. Все три толки располагаются в одной плоскости поперечного сечения, которая перпендикулярна базовой оси штифта (база А. рис. 1).
Угол призмы зависит от числа граней поверхности штифта (п). Линия измерения, как правило, совпадает с биссектрисой призмы. В зависимости от угла призмы н числа граней выбирается коэффициент преобразования схемы К и рассчитывается значение отклонения формы го разности наибольшего и наименьшего показаний в одном сечении за один оборот штифта: EF0IT=(Pma^-Prmn)/К=ЕР К
Методика измерения отклонения формы поперечного профиля штифта (отклонения от кр\тлости):
- на две узкие призмы с углом а установить штифт;
- установить индикатор с цифровым отсчетом на стойку н настроить прибор для измерения (мерой для настройки служит цитиндрическая мера);
- произвести измерения по шестн-семи точкам в трех поперечных сечениях - двух крайних и среднем в пределах сопрягаемой поверхности:
По результатам измерений определяют граничные значения диаметра штифта в целом н огранку с числом граней п.
- результаты измерений заносятся в протокол.
Для измерений отклонений формы штифта в продольном сечении потребуется пятнточечная схема измерения (рнс. 3). Пять точек являются измерительными, четыре - образуются двумя уз кош призмами и пятая - измерительным наконечником индикатора. Призмы разнесены в крайние сечения штифта, т.к. длина сопряжения - длина штифта. Для измерения отклонения от цнлиндрилностн (прямолинейности оси цилиндрического элемента). все три точки схемы измерения должны располагаться в плоскости продольного сечения и касаться одной образующей цитиндрнческой поверхности. Значения отклонения от пилиндрнчности находится разностным методом. Еак полуразностъ наибольшего н наименьшего значения: ЕРШЛ=0.5ЕЕРР. Можно упростить обработку результатов измерений, если измерительный преобразователь настраивать на нуль в одном из сечений, но в этом случае увеличивается время измерений.
Рас. 3. Схема измерения продольного профиля штифта (отклонение от прямолинейности): 1 индикатор; 2 объект контроля (штпфт); 3 призма; 1 поверотпал плита: 5 лекальная лпЕейка
Методика измерения отклонений формы штифта в продольном ссчсннн:
- в призму пед углом а установить шифт:
- установить измерительный преобразователь на стойку и настроить прибор для измерения:
- произвести измерения в трех точках, в трех сечениях. Измерение производится с помощью вращения детали:
- результаты занести в протокол.
В таких схемах мерой прямолинейности является измерительная поверхность поверочной плиты, деформация которой под воздействием сил тяжести детали и стойки создает силовую составляющую погрешности измерения. и это необходимо учитывать.
Штифт является деталью с наружной цилиндрической базой, имеющей информативность, равную четырем, базируется на две узкие призмы, материализующие четыре опорные точки с возможностью вращения.
Методика намерение диауетрок минимума Т. и максимума М материала штифта приведена на схеме (риг 4)"
- в призму с углом в 90° установить штифт:
- установить измерительный преобразователь на стойку и настроить прибор для измерения:
- произвести измерения в трех точках, в трех сечениях:
- результаты занести в протокол.
Рис. 4. Схема измерения реального диаметрз штифта: 1 - измерительный преобразователь; 2 - объект контрол* (штифт); 3 - призма: 4 - плита
Нанболылнй и наименьший диаметры цилиндрического штифта находятся по двум правильным иилинлрам. охватызающнм реальную псверхность штифта. В этом случае базовой осью будет являться ось наружного
(максимального <1'и) цилиндра, который участвуете сопряжении с соединяемыми деталями (отверстием в плоской детали) своими выступающими точками.
Для определения геометрических характеристик гладкого цилиндрического штифта используются только прямоугольные координаты. ~ля адекватной оценки реальной формы изделия проводились измерения профиля продольного сечения и радиусов скругленш в двух сечениях.
Коорхгнаты профиля продольного сечения штифта и графическое отображение реального профиля продольного сечения н радиусов округлений, согласно полученным результатам измерений изображены на (рис. 5).
доз
лг,и12 <?Я»
•пяог
П051
эа*аааааааааааааа*ааа, изааааааааааз
с ^ г? п с л ь Л 9 о' н ^ « т* -п ^ г- <А в» о - п 7 и- ча4 Ь г. о' - п ~ пг)
м.ча
41ДИ2
99.4 9*6
- * V
\ \
\ \
\
/
/
/ /
133,; 133.4 131« 133 8 134 134.? 134*
зйааазазааааааааазааазззазааааааа?
2 ^ ~ Д Х% Й £ 2? ® - (Ч т' © ^ & о - ^ т' •х 1г \в г»' >Х да 2 й С.
НННННИИННИННННИННг4ННИг-Н И н н н н н нн нн н
Рис. 5. Графики действительного профиля продольного сечения и радиусов скругленни левого и правого радиуса штифта
Аналогичные измерения били проведены после поворота ютнфта Еа Р0° вокруг оси X. результаты представлены на (рис. 6).
.их? ? ?. Я Я Я Я Я Я Я Я Я Я Я Я Я Я Я Я Я Я Я Я Я Я Я 5 я я я з
й ^ Г( |< в и( к К а -т ы к Г у: * Г.-
41,5
43,?
Ч \
N \
\
1
/
✓
13^4 133;« 1338 134 1342 134.4 13*. в
йв5йвййвйяййййййй?ййй5ййзййййййййй
Рис. б. Графики действительного профиля продельного сечения и радиусов скруглений левого и правого радиуса штифта после поворэта на 90°
V. Обсуждение Результатов Экспериь£ента
Исходя ¡13 вышензлсжяного на обсуждение выносятся правила измерений отклонений формы:
- схемы измерений отклонении формыдолжны строго соответствовать стандартазованным определениям:
- измерил, отклонение формы - значит найти его нанболыпе значение в пределах нормируемого участка, длины сопряжения:
- схемы измерений должны разрабатываться на основе геометрической модели объекта измерения:
- основные конструкторские базы должны ориентировать объект измерения ■ пространстве измерительного прибора так же. как при эксплуатации детали:
- измерительными базами являются сами измеряемые поверхности, а базами отсчета отклонений - прилегающие поверхности:
- шероховатость и волнистость поверхностен должны исключаться выбором радиуса измерительного наконечннка.
VI. Выводы И заключение
Реальная модель пгтнфта отличается от своего номинального прототипа отклонениями размеров, отклонениями формы поверхностен элементов от правильной геометрической формы н отклонениями положения этих элементов относительно баз детали вследствие неизбежных погрешностей технологического процесса изготовления. Измерения отклонений формы по различным схемам измерения будут давать различные результаты. Такнм образом. схемы измерении со стандартизованными приборами позволяют находил, два действительных размера - наибольшего и наименьшего диаметров штифта. но создают методические погрешности измерения, которые зависят от вида отклонений формы н их значений. Т.е. при нахождении отклонений формы гладкой цилиндрической поверхности штифта в поперечном сечении необходимо учитывал число граней огранки и в зависимости от этого выбирать угол установочной призмы и коэффициент преобразования метода измерения. При измерении отклонении формы ппифла в продольном сеченнинеобходимо учитывать длину сопряжения и силовую составляющую погрешности измерения Погрепшосл схемы измерения возникает, если не рассматривал геометрическую модель объекта измерения, еелн использовал неправильную схему измерения (вместо трехточечной использовать двухточечную, не учитывать поверхность сопряжения детали), а также неправитьно выбрал формы чувствительного элемента прибора.
Соблюдение правил при измерении отклонении формы цилиндрических поверхнослей детален позволяел исключил или существенно снизил, методическую потрешностьнзмереннй. Исключил, методическую погрепшосл можно введением поправки, предварительно измерив отклонения формы поверхностен штифта.
список литературы
1. Pattern chnikova V.V. Geometrical product specifications: Baling precision of pin connection / V.V. Pshenichni-fcova // Dynamics of Systems. Mechanisms and Machines (Dynamics). EEEE Conference Publications. - 2014. P. 1-4. DM: 10.1109/ Dynamics. 2014.7005691
2. Glukhov V.I. Geometrical product specifications: Alternative standardization principles, coordinate systems: models, classification and verification / V_L Glukhov // Dynamics of Systems. Mechanisms and Machines (Dynamics), IEEE Conference Publications -2014. P. 1-9. DOI: 10.1109/ Dynamics.2014.7005655
3. Педь. C.E. Оценка погрешностей координатных измерений параметров сечений цилиндрических поверхностей' С.Е. Педь. Е.В. Дарненко.'У Измерительная техника. - 2011. - № 8. - С. 17-19.
4. Lihong Qiaoa. Jianshun Wua. Zuowei Zhua. Yapeng Cuia. Approach to the deviation representation of non-ideal cylindrical surfaces based on the curvilinear coordinate system. 14th CIRP Conference on Computer Aided Tolerancing (CAT). Vol. 43, 2016, P. 17-22.
5. Schleich B. Anwer N: Mathieu L. Wartzack S. Contact and mobilitysiinulation for mechanical assemblies based on .skin model shapes. Journal of Computing & Information Science in Engineering. 2015;15(2): 021009-021009-7.
6. Zhang X D. Zhang C. Wang B. Feng S C. Unified functional tolerancing approach for precision cylindrical components. International Journal of Production Research. 2005,43(1): 25^7.
7. ISO S41:2001 Industrial automation systems and integration. Numerical control of machines. Coordinate system and motion nomenclanire
8. ISO 286-1:2010 Geometrical product specifications (GPS) - ISO code system for tolerances on linear sizes - Part 1: Basis of tolerances, deviations and fits.
