книги из ГПНТБ / Средства линейных измерений в зарубежном машиностроении

отдельным кабелем с отсчетньгм прибором и может оста­ ваться включенной для облегчения замены. Головки защи­ щены от абразивной пыли гибкой мембраной. С одной уста­ новки без дополнительной механической или электрической настройки можно шлифовать различные диаметры в преде­ лах диапазона измерения. Отсчет может производиться дву­ мя методами: показом фактического диаметра или оставше­ гося припуска. Во втором случае оператор вручную устанав­ ливает наконечники на окончательный размер, а отсчетный прибор на нуль. В другой модели, предназначенной для уп­ равления гидравлической подачей круга по сигналам прибо­ ра, оператор задает в командоалпарат информацию о диаме­ тре, времени выхаживания, величине и скорости подачи и шлифование выполняется автоматически.

Есть модель, в которой можно ввести в запоминающее уст­ ройство все параметры для восьми разных диаметров. После достижения каждого размера оператор перемещает головку на следующую позицию и нажимает на кнопку управляющей панели. Для всех моделей, если деталь шлифуется без снятия со станка, обеспечивается концентричность всех диаметров детали. Поскольку прибор измеряет непосредственно диа­ метр детали, не требуется частой правки круга. Если имеет­ ся биение детали, то его можно определить по прибору пу­ тем вращения детали в скобе вручную.

Наряду с преимуществами чисто электронные методы из­ мерения по сравнению с пневматическими имеют и недостат­ ки: размеры датчиков не позволяют применять их для изме­ рения малых отверстий, в большинстве электронных прибо­ ров между датчиком и измеряемой деталью имеется механи­ ческий контакт, что вызывает износ датчиков, особенно в ус­ ловиях активного контроля. Учитывая преимущества и недос­ татки чисто электронных и чисто пневматических систем, мно­ гие фирмы выпускают комбинированные пневмоэлектронные устройства. Пневмоэлектрические преобразователи служат для преобразования пневматических сигналов изменения дав­ ления в аналоговые электрические величины. Время измере­ ния очень сокращается и электронный отсчетный прибор мо­ жет быть удален на любое расстояние от места измерения. Вместе с тем используются преимущества бесконтактного пневматического измерения. В приборе фирмы Nieberding (ФРГ) [34] (рис. 1) сжатый воздух от источника 1 через ста­ билизатор давления 2 и регулируемое сопло 3 поступает в пневматическую бесконтактную пробку 7. При изменении за­ зора в цепи между входным соплом 3 и пробкой 7 изменяется давление и подвижная часть сильфона 4 перемещает в осевом

29

направлении ферритовый якорь 5 относительно дифференци­ альной катушки индуктивного датчика 6. В одной намотке импеданс увеличивается, в другой — уменьшается. Катушка включена в мостовую схему и изменение импедансов вызы­ вает разбаланс моста. Полученный сигнал усиливается, вы­ прямляется и вызывает перемещение стрелки" отградуирован­ ного в микрометрах вольтметра. Прибор фирмы Matrix Со-

Рие. 1. Пиевмоэлектрический прибор фирмы Nieberding.

ventry Gauge & Tool Go построен по дифференциальному принципу. Воздух от источника поступает по двум трубопро­ водам через соответствующие входные сопла 1, 2 (рис. 2) по обе стороны мембраны 3, находящейся в равно-

Рис. 2. Прибор фирмы Matrix.

весии, когда зазор Ds у регулировочного клапана 5 равен за­ зору Dg у выходного сопла 8 (или пневмопробки 9) и давле­

ния p s и Pg равны.

30

В ‘мембрану встроена ферромагнитная пластинка 4, связан­ ная с индуктивным датчиком 6. При изменении зазора Dg

или диаметра отверстия изменяется положение мембраны и импеданс датчика. Возникающий сигнал подается по про­ водам 7 в усилитель и отсчетный прибор. В приборе устране­ но влияние колебаний давления питания и в диапазоне 0,1 мм линейность не ниже 1%.

Устройства для измерения перемещений и положения

Большим вкладом приборостроителей в раз1витие станко­ строения и повышение точности механической обработки яв­ ляются усовершенствования, вносимые в устройства измере­ ния перемещений и точного позиционирования. Выпускаемые фирмами устройства очень разнообразны и в них использова­ ны всевозможные .методы измерений — механические, опти­ ческие. фотоэлектрические, емкостные, индуктивные, пневма­ тические (струйные), лазерные. Учитывая стремление к мо­ дернизации находящихся в эксплуатации станков, ряд фирм выпускает универсальные устройства, которые можно легко встроить не только в новые, но и в действующие станки. Од­ нако при недостаточной точности механической части станков заложенная в средствах контроля точность измерения пере­ мещений и позицирования может не быть использована [35]. Не останавливаясь на аналоговых системах с электромагнит­ ными импульсными шкалами и индуктивными датчиками ти­ па широко распространенных систем Resolver, Inductosyn, Helixsyn, которые являются, как правило, интегральной частью систем управления станков и машин, рассмотрим несколько примеров новых, так называемых инкрементальных (накопительных) систем, дающих непосредственный отсчет полного перемещения или координаты относительно базового положения, и применяемых в этих системах датчиков [35— 39].

В устройстве Diadem фирмы Rotax Precision Products [35] применено интересное сочетание системы отсчета переме­ щений с прибором активного контроля. Большие диаметры измеряются путем обката роликом периферии детали; кон­ тактный ролик при вращении приводит в действие импуль­ сную систему подачи. Разрешение устройства 0.025 мм на оборот или 0.0025 мм на 10 оборотов детали.

Универсальная накопительная линейная система серии ULS фирмы Heidenhain работает в проходящем свете и ис­ пользует фотоэлектрический метод измерения [37]. Система отличается жесткой, полностью герметизированной конструк­

31

цией. Поскольку датчик перемещается по отдельным направ­ ляющим, то точность измерения не зависит от состояния на­ правляющих станка. Соединение системы с контролируемым объектом (суппортом станка) выполняется с помощью штанги из нержавеющей стали. Импульсы выдаются стальным масшта­ бом. Приборы выпускаются в различном пополнении и могут применяться в сочетании со счетчиком прямого и обратного' хода VRZ для непрерывного индицирования результатов изме­ рений, например для измерения диаметров на токарных и круглошлифовальных станках (без пересчета, так как счетчик непосредственно указывает диаметр), для измерений переме­ щений на токарных, расточных или фрезерных станках [36,

37, 10].

Система имеет пределы измерения 0—600 мм и разре­ шающую способность до 0,5 мкм. При разрешении 0,5 мкм счетчик дает отсчет диаметров шагами через 0,001 мм, при разрешении 5 мкм —через 0,01 мм. Результаты могут печатать­ ся. Нулевое положение или база отсчета может быть выбрана в любом месте. Фотоэлектрический датчик не имеет дви­ жущихся частей, работает бесконтактым методом и гермети­ зирован, что обеспечивает большой срок службы устройства. Благодаря сокращению вспомогательного времени, отсутст­ вию необходимости в промежуточных измерениях применение прибора существенно повышает производительность обработ­ киДругими преимуществами являются повышение точности и возможность использования неквалифицированной рабо­ чей силы. Это обеспечивает экономическую эффективность встройки приборов в старые станкиПоказанный на выставке

чертежные и измерительные устройства. Измерительные си­

агрессивных условиях цеха. Разрешающая способность сис­ темы 2, 5, 10, 50 и 100 мкм. Предусмотрена возможность фик­ сации нулевого положения в любом месте шкалы и индика­ ции направления перемещений-

Рассмотрим несколько примеров воспринимающих и пре­ образующих импульсы устройств, в частности устройств, при­ меняемых не только на станках, но и в измерительных маши­ нах.

32

В двухкоординатном фотоэлектрическом импульсном дат­ чике для измерения линейных перемещений в качестве меры использована отражательная растровая решетка фазового ти­ па с крестообразным расположением лшшатур ,[39]. В дат­ чике реализовано выделение двух сдвинутых на 90° сигналов

использованного светодиода. Излучение должно ‘быть монохроматичным. Датчик состоит из осветителя, конденсора, полупрозрачного зеркала, зеркально-линзового объектива, вогнутое зеркало которого имеет 5 отверстий, расположенных в точках локализации максимумов дифракционной картины, поляризационной кварцевой пластины, помещенной между объективом и дифракционной решеткой, коллимирующей лин­ зы, расположенной на пути лучей, идущих в обратном направ­ лении от полупрозрачного зеркала, светоделительного куба, вы­ деляющего свет различных поляризаций, и двух линз, создаю­ щих изображение на двух 1.мозаичных фотоприемниках, выде­ ляющих синусную и косинусную составляющие сигнала.

Изображение источника излучения проецируется через по­ лупрозрачное зеркало в плоскость центрального отверстия вогнутого зеркала и далее линзой зеркально-линзового объ­ ектива через кварцевую пластину параллельным пучком па­ дает на поверхность дифракционной решетки. Изображение дифракционной картины проецируется при обратном ходе той же линзой в плоскость вогнутого зеркала и служит вто­ ричным источником излучения, расположение дифракции пер­ вого порядка от которого, совпадает с отверстиями вогнутого зеркала-

Кварцевая пластина создает в продифрагировавших пуч­ ках сдвиг, соответствующий V4 периода решетки с одновре­ менной разнонаправленной поляризацией сдвинутых состав­ ляющих. Излучение, прошедшее через диафрагмы вогнутого зеркала, коллимируется и попадает на светоделительную кубпризму, после которой в плоскости фотоприемников вновь создается изображение двух дифракционных картин. Каждая из мозаик образована девятью фотоприемниками, составля­ ющими матрицу. Схема обеспечивает разрешающую способ­ ность 10 ,мкм при счете каждого полупериода сигнала.

До последнего времени цифровые фотоэл1ектрич1еские ус­ тройства для измерения перемещений и отсчета положения имели разрешающую способность 2—10 мкм. Для повышения точности отсчета до 0,1 мкм, что необходимо в измерительных устройствах, разработана система Phocosin (фотоэлектричес­

кий косинусно-синусный датчик) [40]. Она обеспечивает из­ мерения длин до 200 мм с шагом >0,1 мкм. Для овеществления меры длины, как и в большинстве фотоэлектрических уст­ ройств, служит масштаб в виде решетки с длиной, равной диа­ пазону измерения. В датчике имеется индикаторная решетка с такими же делениями- С одной стороны масштаба помещен источник освещения и соответствующая оптика, с другой —- в фокусе собирательного объектива — находится-фотоэлектри­ ческий приемник. Для определения направления перемещений решетка датчика составлена из двух частей, деления которых сдвинуты на 'Д периода. При относительном перемещении решеток масштаба и датчика проходящий через систему ре­ шеток свет модулируется и периодические ослабления свето­ вого потока преобразуются фотоэлектрическим приемником в электрические сигналы. С помощью аналого-цифрового пре­ образователя и логической схемы получаются цифровые сиг­ налы, отсчитываемые электронным счетчиком прямого-обрат- ного хода. Логическая схема позволяет непосредственно по­ лучить цифровой отсчет с дискретностью, равной четверти пе­ риода решетки.

С точки зрения физики границей разрешения такой сис­ темы служит длина волны применяемого света, так как пери­ од решетки должен быть больше длины волны. Но с техни­ ко-экономической точки зрения физическая граница на боль­ шой длине недостижима и наименьший шаг решетки состав­ ляет 8 мкм, т. е. наименьший шаг дискретности равен 2 мкм. Чтобы получить уменьшенный шат дискретности требуется дополнительное деление выдаваемого приемником сигнала, noнадёжность и точность интерполяции зависят от равномерно­ сти сигнала. Для получения линейной зависимости между углом поворота полученного от сдвинутых на 90° сигналов вращающегося поля и перемещением необходимо избавиться от высших гармоник. При наличии высших гармоник интер­ полятор необходимо настраивать на сигнал специальной фор­ мы, но при этом любые изменения параметров (толщина штрихов решетки, расстояние между, масштабом и датчиком, погрешности направляющих) вызывают существенные погреш­ ности измерения. При отсутствии же высших гармоник полу­ чается чистая косинус-синусная характеристика сигнала и электронный интерполятор при равномерном вращении поля выдает равномерные счетные импульсы для измерения длины.

Датчик Opton Phocosin вырабатывает свободные от выс­ ших гармоник сигналы. Частично высшие гармоники снима­ ются чисто оптическим фильтрованием частоты, достигаемым' очень малым поворотом индикаторной решетки датчика отно­

34

сительно решетки масштабаКроме того, в индикаторную ре­ шетку вставлена диафрагма с синусоидальной характеристи­ кой. Получающаяся от малого относительного поворота реше­ ток муаровая картина используется только для преобразова­ ния частоты сдвига в фиксированную частоту местоположе­ ния. но не для получения, как обычно, сдвинутых по фазе сиг­ налов. Для уничтожения высших гармоник требуется свести к нулю коэффициенты am и аго ряда Фурье, что невозможновыполнить оптическим методом. Поэтому датчик генерирует два смещенных по фазе на 180° сигнала и вычитает их один издругого- С учетом сигналов, сдвинутых на 90° для определения направления, в устройстве требуется 4 сигнала со, сдвигом фаз 0, 90, 480 и 270°. Если такие сигналы получаются от располо­ женных в разных местах нескольких участков измерения, то амплитуда импульсов может разниться, например, из-за раз­ личной степени загрязнения масштабаПоэтому в устрой­ стве Phocosin предусмотрен определенный зазор между ин­ дикаторной решеткой и масштабом и свет направляется к ре­ шеткам под углом. Поскольку проходящий через систему ре­ шеток свет дважды преломляется, то длина оптического пу­ ти для отдельных порядков дифракции различна, а следова­ тельно, различна фаза сигналовТаким образом получается свободный от высших гармоник, не зависящий от загрязнения сигнал, допускающий высокую и точную интерполяцию с коэффициентом 80, 40 или 16х. В сочетании с решеткой с ша­ гом 8 мкм датчик Phocosin позволяет получить шаг диск­ ретности 0,1; 0,2 и 0,5 мкм. Во избежание влияния нагрева: свет к решетке подводится через волоконный световод, осве­ щающий сразу все фотоприемники. В устройстве предусмот­ рен фотоприемник, регулирующий световой поток, так что ам­ плитуда сигнала не зависит от применяемой лампы накали­

и т. д.

Рассматривая средства контроля в процессе обработки и средства повышения точности станков, нельзя не упомянуть лазерные интерферометры. Лазерные интерферометры уже широко применяются -в США для проверки станков, в частнос­ ти станков с программным управлением [41]. Сведения об использовании лазерных интерферометров в линиях обратной связи и в качестве овеществления эталона длины в измери­ тельных устройствах исходят пока в основном от фирм — изготовителей этих устройств. Среди потребителей встреча­ ется даже критическое отношение к целесообразности и эко­ номичности такого использования лазеров [42]. Наряду с

этим высказывается и твердая уверенность в перспективности встройки лазерных интерферометров в станки [43].

Фирмы Do АП и Hewlett-Packard (США) усиленно рабо­ тают в этом направлении [24] и последняя создала модульную систему с вынесенным интерферометром [41, 44]. Преиму­ ществами системы с разнесенными узлами лазерного источ­ ника и интерференционной оптики является то, что нагревание корпуса лазера не вызывает смещения плоскости измерения; малые габаритные размеры и масса устраняют погрешности холостого хода; один источник может одновременно исполь­ зоваться для измерений по двум осям. В настоящее время фирма разрабатывает новую систему с пятью интерферомет­ рами и фотодиодом для обслуживания одной лазерной го­ ловкой восьми осей [44]. Лазерный интерферометр фирмы Hewlett-Packard, предназначенный для встройки в станки и измерительные машины, может измерять длины, перемещения, подачи, углы наклона ил!и поворота, неплоскостность, непрямолинейность, неперпендикулярность. Предусмотрены устрой­ ства введения поправок для компенсации условий среды.

Лазерная головка содержит двухчастотный газовый лазер с автоматической настройкой, не требующйй времени на ра­ зогревНовые трубки юстируются предварительно на загводеизготовителе и отличаются повышенной стабильностью час­ тоты. Отсчетное устройство имеет девять счетных разрядов, разряд для знака и плавающую запятую. Предусмотрен пере­ ключатель режимов работы. Прибор по своей точности может использоваться не только в цехах, но и измерительных лабо­ раториях.

Возможность применения лазеров в цеховых условиях в последние годы возросла благодаря усовершенствованию спо­ собов компенсации изменений условий среды, а также исполь­ зованию интегральных схем, что позволило уменьшить га­ баритные размеры электронных систем и сделать их более компактными и удобными. Кроме того, стоимость лазерных интерферометров за последние 5 лет все время снижается и сейчас они стали доступны для применения в системах уп­ равления качеством даже на относительно небольших пред­ приятиях [29]. Если в 1968 г. только 10—45 лазерных интер­ ферометров использовались для контроля качества, то теперь их сотни, а лазеров для выставления — тысячи. Лазерные приборы имеют широкое применение: от подналадчиков до систем измерения шероховатости поверхности отверстий.

На выставке Microtecnic-73 демонстрировались различные устройства. Новая в этой области фирма Coventry Gauge по­ казала образец цифрового прибора для контроля горячих

36

стальных труб диаметром до 100 мм на выходе из прокатного стана. Разрешающая способность прибора 10 мкм, полная погрешность измерения менее 25 мкм. Прибор может пополь­ зоваться для обычных контрольных операций, обеспечивая разрешение 1 мкм и погрешность менее 5 мкм. Маломощный гелий-неонавый лазер используется как источник света. Рас­ щепитель пучка разделяет свет на пучок, сканирующий из­ меряемый диаметр, и пучок, направленный на 2 референтные решетки. Электрический сигнал сравнения преобразуется в цифровое показаниеПредусмотрена возможность печатания или обработки данных с помощью ЭВМ. Процесс измерения полностью автоматизирован.

Интересную новинку показала на выставке фирма Do АП (США). Устройство Combo [23] позволяет с помощью одно­ го лазера выполнять линейные и угловые измерения, а также может служить в качестве пропускающей мишени для выс­ тавления, например, последовательных станций в конвейерной линии.

Combo отличается от других детекторов, дающих отсчет отклонений от прямолинейности, тем, что разделенный ус­ тройством луч проходит через устройство Combo. Таким обра­ зом, можно на каждой последовательной станции установить устройство Combo и получать показания на общей управля­ ющей панели. Это позволяет .вносить соответствующие подна­ ладки и проверять отдельные станции по показаниям при­ боров Combo. Устройство Combo имеет много общего с вы­ несенным (дистанционным) лазерным интерферометром Hewlett-Packard, но преимущество Combo заключается в воз­ можности использования лазера и в режиме отражения и в режиме коллимацииНапример, если встроить Combo в кол­ лиматор, а коллиматор в лазер, то получится автоколлиматор для отсчета линейных величин, а если, наоборот, встроить Combo в лазер, а коллиматор в Combo, то получится авто­ коллиматор для отсчета углов ic разрешением 2"

СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРИЕМОЧНОГО КОНТРОЛЯ

Контрольно-сортировочные автоматы и полуавтоматы

Представитель французской авиационной фирмы указыва­ ет, что несмотря на широкое применение станков с програм­ мным управлением как на самой фирме, так и на заводахпоставщиках требуется тщательный контроль изготовленных деталей [45]. Допуски настолько жестки, что находятся на грани возможности станков и процент бракованных или де-

37