CC BY
59
УДК 682.2:531.7+531.717.1
В. И. ЛЕУН Д. В. ТИГНИБИДИН
Омский государственный технический университет
НОВЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРИБОРОВ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ И МАШИНОСТРОЕНИЯ
Основная научная и техническая новизна разработанных авторами принципов построения приборов активного контроля заключается в том, что преобразователь измерительного устройства устанавливается непосредственно на контролируемую и обрабатываемую деталь при шлифовании и в его корпусе располагается микропривод (пьезопривод, электропривод или другой) для перемещения измерительного стержня по заданной программе. Это позволяет свести практически к нулю разность показаний прибора при статических и динамических измерениях геометрических параметров деталей с гладкой и прерывистыми поверхностями.
Ключевые слова: прибор активного контроля, измерительное устройство, первичные преобразователи, шлифовальные станки, металлорежущий инструмент, детали с прерывистыми поверхностями машиностроения.
Наибольшее распространение приборы активного контроля (ПАК) для деталей с гладкой и прерывистыми поверхностями получили в машиностроении итальянской фирмы «Марпосс» (рис. I, 2). Опыт использования этих приборов для активного контроля режущего инст румента дал отрицательный результат из-за несоответствия их технических характеристик требованиям мелкосерийного инструментального производства.
Анализ сложившихся принципов построения существующих ПАК выявил следующие особенности, которые ограничивают их использование в инструментальном производстве:
- подвижные элементы механических первичных преобразователей состоят из большого числа деталей, соединенных между собой винтами, а это в условиях вибраций и действия импульсных нагрузок приводит к микросмещениям их взаимного расположения;
- плоскопружинная подвеска рычагов и кареток, из-за наличия паразитного смещения, не обеспечивает точного поступательного перемещения измерительных элементов первичного механического преобразователя;
- плоскопружинная подвеска и винтовые пружины не обеспечивают стабильного измерительного усилия;
- элементы для перенастройки измерительного устройства (ИУ) на другой размер располагаются в измерительной цепи первичного преобразователя, что приводит к увеличению массы подвижных элементов и микросмещениям в зажиме в условиях вибраций и ударов;
- используемые в преобразователях детали и элементы (ножки, рычаги, опоры рычагов, плосконру-жинные подвески кареток) не обладают высокой жесткостью и в условиях динамических измерений может изменяться коэффициент передачи, что приводит к появлению дополнительной составляющей погрешности измерения;
- подвижные элементы первичного преобразователя ИУ имеют значительную массу (0,6... 1,0 кг). Для исключения отрыва наконечника от прерывистой поверхности контролируемой детали под действием сил инерции увеличивают, как правило, статическое измерительное усилие. В момент выхода наконечника с впадины на выступ детали полное измерительное усилие в преобразователе может достичь такой величины, при которой контактное напряжение между наконечником и выступом детали превысит допустимое значение. Поверхность детали может повреждаться. В зоне контакта на детали (инструменте) могут образовываться скрытые микро-трещепы, что недопустимо;
- в большинстве случаев ИУ ПАК сконструированы без соблюдение принципа Аббе, а это, как известно, снижаетточность измерения;
- в измерительных устройствах используются однофункциональные элементы (измерительная пружина, электромагнитный или гидравлический арретир, гидравлический регулятор скорости, первичный преобразователь). В результате такого принципа построения измерительные устройства имеют большое количество деталей и винтовых соединений, что приводит к значительным габаритным размерам, материальным затратам и низкой точностной надежности ПАК;
- в первичном и вторичном преобразователях ИУ используются детали и элементы, выполняющие одинаковые функции (наконечники, измерительные пружины и стержни, направляющие для поступательного перемещения, корпуса);
- из-за определенного конструктивного исполнения ИУ ПАК в первичных преобразователях не обеспечивается точное поступательное перемещение измерительных наконечников и параллельность их расположения;
- для ограничения размера западания наконечников в разрыв поверхности детали в ИУ применя-
Рис. 1. Прибор активного контроля «Альсар» итальянской фирмы «Марпосс» для контроля деталей с прсрыпистмми поверхностями: л - прибор активного коїгтроля деталей с прсрыпистмми поверхностями; б - функциональная схема измерительного устройства прибора. I - наконечник; 2 - ножка: 3 - направляющая для поступательного перемощення ножки; ■! - пинт настройки; 5 - пинт зажима; 6 — каретка; 7 - пружина: 8 - гидравлический поршневой регулятор скорости; 9 - арретир; 10 - упругая иапрапляющая каретки б; II - пинт для настройки первичного преобразователя; 12 - основания измерительного устройства; 13 - первичный преобразователь (13.1 — наконечник; 13.2— измерительный стержень; 13.3 — направляющаядля поступательного перемещения измерительного стержня; 13.4 - измерительная пружина; 13.5 - индуктивный преобразователь;
13.6 - кабель); 1-І - отчетно-командное устройство; 15 - измеряемая деталь.
1_
гттт
1 0 1
:
Ш
Л)
0)
Рис. 2. Прибор активного контроля аВемар» итальянской фирмы «Марпосс» для контроля деталей с прерывистыми поверхностями; а - прибор активного контроля деталей с прерывистыми поверхностями при внутреннем шлифовании; б - функциональная схема измерительного устройства прибора. I - наконечник; 2 - рычаг;
3 - первичный преобразователь; 4 - опора рычага; 5 - измерительная пружина; 6 - лопастной гидравлический регулятор скорости; 7 — арретир; 8 - винт; 9 - настроечный пинт; 10 - направляющая; II - направляющая для поступательного перемещения измерительного устройства вдоль оси измеряемой детали 13;
12 - отчетно-командное устройство; 13 - измеряемая деталь
ются неуправляемые гидравлические регуляторы скорости (ГРС). Чтобы исключить отставание наконечника от поверхности обрабатываемой детали, его скорость задают в 1.5...2 раза больше скорости съема металла при черновом шлифовании, что приводит при выхаживании к увеличению полного измерительного усилия в 10... 15 раз статического измерительного усилия ИУ. а это не желательно с точки зрения точности измерения;
- важной особенностью ИУ с ГРС для детали с прерывистой поверхностью является нестабильность измерительного усилия. Поэтому он обладает меньшей точностью, чем универсальные средства измерения;
- в реальных производственных условиях при активном контроле довольно часто требуется измерять при помощи ПАК диаметральный размер детали, на которой прерывистая поверхность переходит в гладкую. Отсчетно-командное уст ройство будет показывал» на гладкой поверхности увеличение размера на 15...30 мкм. По этой причине ИУ используют на станке для контроля размера деталей только водном сечении.
Для устранения указанных выше недостатков в Омском государственном техническом университете на кафедре «Метрология и приборостроение» авторами разработаны новые принципы их построе-ния (1.2,3):
- в кинематической цени измерительного устройства прибора не рекомендуется применять механические звенья (рычаги на опорах, ножки с каретками на пружинной подвеске и др.) дли передачи линейного размера от контролируемой детали к преобразователю (рис. 3,4);
- контактные преобразователи необходимо устанавливал» в начале измерительной цепи прибора непосредственно на контролируемую деталь (рис. 3,4);
- для обеспечения возможности контроля деталей с гладкой и прерывистыми поверхностями в корпус контактного индуктивного преобразователя устанавливается микропривод (гидро-, пьезопривод и др.) для принудительного перемещения измерительного стержня по заданному закону (рис. 5);
- для уменьшения микросмещений в условиях вибраций число разъемных соединений в ИУ необходимо сводить к минимуму;
- доя уменьшение габаритных размеров, числа звеньев и подвижных масс в преобразователях необходимо использовать многофункциональные элементы;
- в преобразователях необходимо применять безлюфтовые направляющие для точного (0,5... 1,0 мкм) прямолинейного перемещения измерительных стержней, которые не создают перепада измерительного усилия (рис. 5);
- размер западания измерительного наконечника в разрыв поверхности детали должен быть постоянным и не зависеть от скорости съема металла при шлифовании;
- микропривод должен обеспечивать возмож-иость перемещения измерительного стержня в двух направлениях;
- элементы для перенастройки (направляющие, винтовой или реечный привод зажимы) ИУ на другой размер должны быть безлюфтовыми и расположены в кинематической цепи после первичных преобразователей (рис. 2,3, 4);
- для обеспечения высокой точности и стабильности результатов измерения в условиях вибраций подвижные элементы (направляющие) ИУ после перенастройки должны быть неподвижно закреплены;
- в микроприводах необходимо использовать
элементы, уменьшающие измерительное усилие в преобразова теле в момент выхода наконечника с впадины на выступ детали;
- статическое измерительное усилие преобразователя должно был» постоянным на всём диапазоне измерения;
- конструкция измерительных устройств должна обеспечивать возможность контроля деталей с прерывистыми поверхностями с шириной выступа равной нулю (острая кромка заточенного инструмента);
- для широкой автоматизации измерений линейных размеров в инструментальном производстве и точном машино- и приборостроении конструкции первичных преобразователей должны быть малогабаритными, надежными в эксплуатации и универсальны ми.
На основе новых принципов разработано несколько вариантов ПАК для изделий инструментальных производств и высокоточного машиностроения. Схемы двух одноконтактных ПАК представлены на рис. 3, 4.
При одноконтактном средстве активного контроля необходимо обеспечивать точное позиционирование обрабатываемых деталей в центрах станка. Для этого предложено выбрать радиальный зазор между пинолью и отверстием в корпусе бабки и уменьшить значительно угол поворота пиноли вокруг ее оси заменой штифта на беззазорные конструктивные элементы. Благодаря этому значительно снижается суммарная погрешность обработки деталей на станке. После внесения этих изменений сохраняется беззазорная подвижность пиноли бабки.
Для исключения разности показаний ОКУ при переходе наконечника преобразователя с гладкой на прерывистую поверхность и значительного уменьшения измерительного усилия разработан ПАК |3], принципиальная схема которого представлена на рис. 5.
ПАК содержит узел отсчета 1 и контактный индуктивный преобразователь 2 с неподвижным маг-нитопроводом и катушками индуктивности 3 и подвижным сердечником 4, установленном на трехгранном измерительном стержне 5с внутренним отверстием, который установлен с возможностью перемещения в беззазорной роликовой направляющей (ролики 6. сепаратор 7, неподвижные планки 8, жестко закрепленные в корпусе индуктивного преобразователя, например, эпоксидным клеем; винт9с планкой 10 для создания натяга в направляющей, заполненной вязкой жидкостью 11). В отверстии измерительного стержня 5 установлена пружина 12 с ограничителями её хода 13 и ко тактирующая с тор-цем винта 14, неподвижного в направлении продольной оси измерительного стержня, и установленного в боковом резьбовом отверстии корпуса преобразователя 2.
Выход измерительного стержня 5 из корпуса индуктивного преобразователя 2 герметизирован мембраной 15 и соединен с наконечником 16, контактирующим с деталью 17, обрабатываемой шлифовальным кругом 18. В корпусе индуктивного преобразователя 2 расположен исполнительный механизм 19, например, электромагнитный, якорь которого соединен с измерительным стержнем через упругий элемент, например, плоскую пружину.
Индуктивный преобразователь 2 и электромагнитный исполнительный механизм соединены кабелем 20 с узлом отсчета 1. Преобразователь герметизирован.
Устройство работает следующим образом: винт 14 выворачивают до момента исключения контакта его торца с пружиной 12. Винтом 9 создается натягв
о*—
Рис. 3. Схема одноконтактиого прибора активного контроля к круглошлифовальным станкам с направляющей скольжения:
I - отчетно-командное устройство; 2 - преобразователь.
3 - кабель; 4 - измерительное устройство; 5 - элементы базирования; 6 — станина стайка; 7 — режущий инструмент; 8 - шлифовальный круг; 9 - цифровой индикатор
Рис. 4. Схема одноконтактного прибора активного контроля к круглошлифовальным станкам с направляющей качения:
I - шлифовальный круг. 2 - режущий инструмент;
3 - отчетно-командное устройство; 4 - преобразователь;
5 - измерительное устройство; б - корпус; 7 - винт;
8 - цифровой микрометр: 9 - пружина; 10 — ручка;
11 - элементы базирования; 12 — станина станка
6 7 т| 79 9 V
\\ < и Г~ /
а у ||\\\>
: т! П
Рис. 5. Принципиальна!! схема Г1ЛК с первичным преобразователем
роликовой направляющей качения, обеспечивающий легкость хода измерительного стержня 5. Затем винт 14 прижимают к пружине 12 и создают такой натяг, чтобы сила трения при движении измерительного стержня 5 составляла в 1.5...2 раза больше силы тяжести измерительного стержня со всеми присоединенными к нему деталями при вертикальном расположении его оси. У опытного образца преобразователя суммарная сила тяжести измерительного стержня соответствовала 0.12 Н.
Фрикционный элемент (пружина 12 и вит-14) обеспечивает точное запоминание размера контролируемой детали при выходе наконечника 16на выступ детали в момент отсутствия сигнала на злектроматите 19.
От узла отсчета 1 на электромагнит 19 поступают ситалы, обеспечивающие периодическое перемещение измерительного стержня в сторону обрабатываемой детали или отводят его вверх в нерабочее положение. Электронный блок узла отсчета фиксирует положение выступа детали и отключается в момент
подачи сигнала на электромагнит, исключая выдачу ложных команд на отвод шлифовального круга при достижении детали заданного размера.
Зазор между сепаратором 7 и поверхностями направляющей качения в 20...50 мкм заполняется вязкой жидкостью для создания жидкостного трения Ньютона в преобразователе и автоматического образования такой составляющей полного измерительного усилия, которая исключает отрыв наконечника 16 от поверхности контролируемой детали при увеличении числа ее оборотов.
Разработанные научные принципы построения ПАК и их элементной базы позволяют создавать широкодиапазонные (от 0,5 до 100 мм) для инструментальных производств и быстропереналаживаемые (с диапазоном до 200 мм) приборы для изделий автомобильной промышленности и горной техники (с диаметром валов до 400 мм с наличием про рывистой поверхности). Разработанные ПАК предназначены для шлифовальных станков в индивидуальном и мел-
косерийном производствах на всех машиностроительных предприятиях.
Библиографический список
1. Ас. 814661 СССР. МКИ* В230 15/00. Измерительное устройство аля )1ктин|1ого контроля / В.И Аеун. А.П. Цымбалоико. А Н. Чертовских, В.И. Глухов (СССР) -N8 2775908/25-08; Заявлено 07.06.79; Опубл 23.03.81, Бюл. № 12. - 4 с.: нл.
2. А с. 1328157 СССР, МКИ’ В230 15/00. Устройство для линейных измерений / В.И. Аеун, Ю.Г. Долтанев. Е.В. Аеун (СССР). - № 4037650/31-08; Заявлено 18.03.86; Опубл. 07,08.87. Бюл. N9 29. - 4 с.: нл.
3. Патент РФ № 2316420 Устройство для активного контроля линейных размеров изделий / Аеун В.И.. Николаева Е.В., Тигнибидин А.В. опубл. в БИ № 4 10.02.2008 г.
АЕУН Владимир Исидорович, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и приборостроения.
ТИГНИБИДИН Александр Васильевич, ассистент кафедры метрологии и приборостроения.
Даю поступления статьи в редакцию: 27.03.2009 г.
© Аеун В.И., Тигнибидин Л.В.
УДК 531.7
В. И. ГЛУХОВ
С. Н. ДОЛЖИКОВ М. Н. ЛАКЕЕНКО
Омский государственный технический университет Омский государственный университет путей сообщения
ОАО «Научно-исследовательский институт технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта»
ВЛИЯНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА НАДЕЖНОСТЬ МОТОРНО-ЯКОРНЫХ ПОДШИПНИКОВЫХ УЗЛОВ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛОКОМОТИВОВ
В статье рассматривается влияние методов измерений геометрических величин на надежность моторно-якорных подшипниковых узлов тяговых двигателей локомотивов. Рассмотрены геометрические модели посадочных цилиндрических шеек вала якоря под внутренние кольца роликовых подшипников. Рассчитаны погрешности двухточечной схемы измерения.
Ключевые слова: надежность, геометрическая модель, схема измерения, огранка, овальность.
Основной задачей железнодорожного транспорта является повышение пропускной и провозной способности железных дорог.
Возможность полного использования провозной способности железных дорог в значительной степени зависит от технического состояния локомотивов и, в первую очередь, от надежной работы тяговых электродвигателей локомотивов.
Надежность тяговых электродвигателей как характеристика качества является комплексным показателем, зависящим не только от конструкции и применя-
емых материалов, но и от таких факторов, как технология ремонта, соблюдение объема и норм испытаний, а также от использования средств и методов измерений, с помощью которых можно наиболее полно оцепить состояние тягового электродвигателя.
Анализ статистических данных показывает, что всего в 2007 г. на сети железных дорог России произошло 1086 отказов локомотивов 11). На долю отказов моторно-якорных подшипников от всех отказов тяговых двигателей приходится 14% (2).
Согласно инструкции (3) на техническое обслу*
