3.2. Принципы построения схем измерения и базирования

При рассмотрении принципов построения схем измерения будем считать, что вопрос выбора вида средства контроля уже решен. При выборе и построении схем измерения и базирования устройств необходимо стремиться к соблюдению основных метрологических и конструктивных принципов.

Соблюдение принципа инверсии. Из принципа инверсии следует, что схема измерения должна соответствовать кинематической схеме формообразования, а также схеме функционирования детали. Поэтому схема измерения будет считаться построенной правильно, если траектория движения при измерении соответствует траектории движения при формообразовании, линия действия при измерении совпадает с линией действия при работе механизма, а базы измерения совпадают с рабочими базами. Для управляющих устройств, осуществляющих контроль размеров в процессе их обработки, траектория движения детали при измерении в силу необходимости, как правило, совпадает с траекторией движения детали при формообразовании в часто совпадает с траекторией движения детали при эксплуатации. Обычно у большинства видов существующих измерительных головок этих устройств линия действия при измерении не совпадает с линией действия при работе механизма в результате того, что форма контактной поверхности измерительного наконечника отлична от формы поверхности сопрягаемой детали. Поэтому рассмотрим подробнее лишь третий признак принципа инверсии (правило единства баз). В соответствии с этим признаком устройства, контролирующие прямым методом непосредственно изделие, а, например, не положение кромки обрабатывающего инструмента или положение рабочих механизмов станка, предпочтительнее других видов устройств. Тем самым устройства с одной точкой контакта (устройства косвенного контроля) вследствие несовпадения базы измерения с эксплуатационной базой (соответствующей поверхностью детали) не могут обеспечить высокой точности контроля. На точность подобных устройств оказывают влияние силовые деформации изделия, силовые и температурные деформации деталей станка, размеры которых входят в измерительную размерную цепь. Подобные устройства в силу своей простоты применяют при относительно грубых измерениях. Положение точки контакта измерительного наконечника этих устройств с поверхностью детали должно выбираться с учетом направления наибольшего (суммарного) взаимного перемещения (деформации) сечения детали, лежащего в плоскости измерения, за период между двумя поднастройками. Если направление такого перемещения известно (например, направление основной составляющей силы резания в плоскости измерения), то точка контакта должна быть расположена таким образом, чтобы линия измерения совпадала с линией перемещения измерительного наконечника и была бы перпендикулярна направлению этой деформации. Достижение высокой точности обработки с помощью одноточечных устройств при соблюдении настоящего условия возможно лишь при отсутствии значительной случайной составляющей деформации. Этого можно достичь, например, путем применения частой, т. е. преимущественно автоматической, настройки.

Устройства с двумя и тремя точками контакта имеют измерительную базу, совпадающую с поверхностью детали, и поэтому обладают высокой точностью. Для двухточечных устройств желательно выбирать точки контакта таким образом, чтобы линия измерения совпадала с направлением наибольшего смещения изделия, лежащего в плоскости измерения. Тогда на результаты контроля практически не окажет влияния изменение положения изделия. Однако такое требование приводит к необходимости ввода одной из точек контакта непосредственно с зону резания, что в большинстве случаев нереально. Поэтому обычно удается расположить точки контакта лишь так, что линия измерения будет перпендикулярна направлению наибольшей деформации изделия. Оба вида двухточечных устройств (с плавающим корпусом и суммирующим элементом), с точки зрения выбора места точек контакта, равноценны, но вопрос об окончательном выборе должен решаться на основе динамических расчетов. Устройства с плавающим корпусом ввиду его большой массы могут оказаться более инерционными и потребуют значительных усилий прижима базовых наконечников к контролируемой поверхности.

Устройства с тремя точками контакта в отличие от устройств с двумя точками имеют в дополнение к базовому и измерительному наконечникам еще один — опорный, благодаря которому большинство видов трехточечных устройств являются плавающими, и на статическую точность их работы не сказываются смещения контролируемого изделия в плоскости измерения в произвольном направлении. Поэтому для подобных головок отпадает вопрос о рациональном выборе места расположения точек контакта устройства с контролируемой поверхностью. Однако, как уже указывалось выше, создание головок с плавающим корпусом увеличивает перемещающиеся массы. Тем самым динамические погрешности, в особенности для систем с высокими скоростями перемещения наконечников относительно поверхности детали, возрастают.

При контроле поверхностей изделий сложной, например конической, формы применяют четырехточечные устройства, при этом четвертая точка является координирующей, позволяющей осуществить выбор заданного контролируемого сечения.

В практике активного контроля применяют устройства, осуществляющие поверхностный контакт с контролируемой поверхностью, устройства с калибрами-пробками для контроля отверстий. Сложность ориентации подобных головок, большие измерительные усилия, быстрый износ пробок и недостаточно высокая точность измерения обусловили узкую область их распространения.

Соблюдение принципа Тейлора. Все виды головок устройств управляющего контроля можно разделить на две категории. Первый вид приближается по принципу действия к контролю с помощью непроходных калибров, а второй вид — к контролю с помощью проходных калибров. К первому виду следует отнести подавляющее большинство современных головок автоматических систем с одной, двумя и тремя точками контакта. С принципиальной стороны изменение режима обработки или ее прекращение произойдет тогда, когда размер детали, наименьший для охватываемой поверхности и наибольший для охватывающей поверхности, достигнет уровня срабатывания. Такой подход к конструированию головок устройств для контроля размеров в процессе обработки позволяет вести процесс с меньшим риском получения изделий (из-за погрешностей формы в контролируемом сечении) ввиду неисправимого брака. В то же время устройства с поверхностным контактом осуществляют контроль наибольшего размера вала или наименьшего размера отверстия, т. е. близки по принципу действия к контролю с помощью проходных калибров, и не позволяют гарантировать (за счет погрешностей формы) получение изделий без неисправимого брака. В связи со сказанным следует отдать предпочтение конструкциям головок управляющих устройств, осуществляющих точечный контакт, по сравнению с устройствами, имеющими поверхностный контакт.

Соблюдение принципа наикратчайшей размерной цепи. Требования обеспечения высокой точности и надежности накладывают существенные ограничения, на выбираемую размерную цепь головки, определяющую контролируемый размер. При этом следует стремиться не только к тому, чтобы в эту размерную цепь входило, возможно, меньшее число звеньев, но и чтобы ее протяженность в одном направлении (сумма размеров однотипных, например увеличивающих, звеньев, входящих в цепь) была, возможно, меньшей. Последнее обстоятельство обусловлено не столько ростом погрешности контроля и изготовления с увеличением размера детали, сколько значительным увеличением колебания температурных и силовых деформаций с ростом размеров деталей головки. В этой связи размерная цепь одноточечных устройств состоит, как правило, из большого числа довольно протяженных звеньев (включая, например, детали станка), поэтому, вполне естественно, подобные устройства не могут обеспечить получение высокой точности размеров обработанных деталей. При сравнении по точности схем головок управляющих устройств следует отдать предпочтение рычажным передачам и именно потому, что их размерная цепь при ее проектировании на направление линии измерения чаще всего оказывается короче размерных цепей безрычажных устройств. Увеличенные размеры самих рычагов, расположенных по направлениям, перпендикулярным линии измерения, не приводят к заметному увеличению погрешности, так как изменение их температуры вызывает появление погрешностей второго порядка малости. Если же в силу конструктивных особенностей контролируемого изделия или вида станка и технологического процесса выбор типа устройства предопределен, то необходимо в дальнейшем руководствоваться следующими принципами

Соблюдение принципа АББЕ. При проектировании безрычажных устройств рекомендуется стремиться к соблюдению принципа Аббе, т. е. к тому, чтобы элемент сравнения был расположен на продолжении, линии измерения. При этом погрешности будут минимальными, если удастся- расположить на продолжении, этой линии также опоры поступательно перемещающихся штоков: и с возможно большим расстоянием между ними. Соблюдение принципа Аббе позволяет исключить влияние на результаты измерения погрешностей первого порядка малости, вызванных перекосами штоков в опорах. Если полное соблюдение принципа Аббе по конструктивным особенностям детали или оборудования не представляется возможным, то нужно стремиться к тому, чтобы расстояния до опор и до элемента сравнения от линий измерения были наименьшими.

Принципы проектирования рычажных устройств. Для рычажных устройств принцип Аббе неприменим, однако при их проектировании следует также руководствоваться определенными правилами. Прежде всего, необходимо выдержать рекомендуемые условия проектирования каждого двуплечего рычага. Оба плеча рычага должны быть однотипными (либо тангенсными, либо синусными), центры их сфер должны быть расположены на теоретическом рычаге (образованном перпендикулярами, опущенными из центра вращения рычага на направления поступательных движений), а обе плоскости должны быть параллельны плечам теоретического рычага или составлять с ними одинаковый угол, отсчитываемый в одном направлении. Еще лучше, если обе плоскости параллельны в начальном положении плечам теоретического рычага, так как в противном случае возрастают взаимные продольные смещения сферы и соприкасающейся с ней плоскости, что приводит к повышенному износу. Последнее правило не имеет смысла применять лишь для плеч рычагов, непосредственно соприкасающихся с поверхностью детали, так как взаимные перемещения и вызываемый ими значительный износ точек контакта будут иметь место вне зависимости от соблюдения этого правила.

При проектировании двухточечных рычажных схем следует придерживаться «принципа равных углов»: наивысшая точность и простота двухточечных схем с двумя воспринимающими рычагами будет тогда, когда при смещении изделия в направлении линии измерения воспринимающие рычаги поворачиваются на углы, одинаковые по величине и направлению. Число промежуточных рычагов при прочих равных требованиях к их точности должно быть, возможно меньшим. Сокращение числа рычагов при неизменном передаточном отношении увеличивает точность передачи. Рычажные схемы получили преимущественное распространение не только из-за возможности обеспечения высокой точности измерения, но и вследствие более широких конструктивных возможностей расположения измерительных головок в рабочей зоне станка.