книги из ГПНТБ / Средства линейных измерений в зарубежном машиностроении

менения автоматов [47]. Транспортные устройства часто яв­ ляются наиболее дорогой частью автоматов и окупаются толь­ ко при стабильном крупносерийном и массовом производстве, причем в основном деталей простой формы. При сложной фор­ ме деталей нередко приходится отказываться от полной автоматизации контроля и ограничиваться полуавтоматичес­ кими устройствами.

Поскольку автоматы, как правило, являются специальны­ ми устройствами, предназначенными для определенного ви­ да деталей, мы не можем рассматривать все их многообразие. Приведем несколько примеров, показывающих использование современных достижений техники для автоматизации прие­ мочного контроля и осуществления обратной связи с обору­ дованием. В настоящее время традиционные автоматы с ме­ ханическими, электроконтактными и пневматическими изме­ рительными органами все больше вытесняются автоматами, оснащенными электронными устройствами. Это позволило по­ высить их производительность, обеспечить высокую точность, выполнять различные измерения, суммировать, вычитать сиг­

ные пункты управления. Кроме измерения отдельных разме­ ров, на автоматах проверяется их комбинация для определе­ ния конусности, эксцентриситета и др.

Автоматы, фирмы Marposs Apparechi Elektronice (Италия)

имеют жесткую стабильную конструкцию. Как правило, они состоят из измерительной, загрузочной, транспортной, моеч­ ной, маркировочной, сортировочной и выходной станций [48].

Основой машины является измерительная станция, ос­ нащенная индуктивными датчиками. Наибольшая точность из­ мерений достигается при измерении всех взаимосвязанных геометрических размеров ,на одной станции для устранения погрешности от различного позиционирования и крепления.

дельности и при отсутствии смазки выдается предупреждаю­ щий сигнал.

39

Для облегчения обслуживания автоматов все подвижные элементы вынесены на станину. Каждо:е движение регистри­

временная техника интегральных схем, что сильно сократило габаритные размеры по сравнению с обычными блокировоч­ ными устройствами и повысило эксплуатационную надеж­ ность. Все управляющие элементы построены.по модульному принципу, что позволило применить одниковые электронные схемы .на разных автоматах. Централизованная обработка ре­ зультатов измерения обеспечивает возможность использовать автоматы в линиях, управляемых ЭВМ, или подключать к ав­ томатам малые ЭВМ и печатающие устройства.

Погрешность автоматического контроля, по мнению фир­ мы, не должна превышать 1/10 допуска детали. В автоматах фирмы Marposs, предназначенных для контроля деталей тор­ мозов (тормозной барабан т диски), обрабатываемых на по­ точных линиях, это достигается путем применения специаль­ ных индуктивных датчиков, очень точного согласования пара­ метров датчиков, выполняющих комбинированные измерения, применения отдельных контуров для каждого вида измерений, даже при аналогичных вычислительных процессах, обеспече­ нием абсолютной линейности на всем пределе измерения, при­ менением шлифованных и доведенных щупов, очисткой дета­ ли и базовых поверхностей. Для устранения погрешностей, вызванных износом механических деталей или неточным по­ зиционированием контролируемой детали, предусмотрена электронная компенсация погрешностей путем применения нескольких датчиков, контроля фактического положения кре­ пежных и базовых плоскостей с помощью дополнительных го­ ловок, контроля положения и вращения шпинделей и опра­ вок, применения изостатических опор стола. Для устранения температурных погрешностей при разных коэффициентах уд­ линения или различии температуры детали и автомата преду­ смотрены электронные средства компенсации.

Применение электроники в автоматах для приемочного контроля открывает большие, пока еще мало используемые возможности: такие автоматы, сохраняющие настройку в те­ чение месяцев, позволяют получать объективные данные о- производственном процессе, они могут использоваться по ли­ нии обратной связи для управления автоматическими произ­ водственными линиями, а при оснащении периферийными устройствами и ЭВМ позволяют управлять качеством про­ дукции.

40

Контрольный автомат со встроенной мини-ЭВМ выпускает фирма Moore Products Со (США) для управления полным циклом контроля и сортировки собранных дисков тормозов автомобилей (49]. Мини-ЭВМ управляет всеми измеритель­ ными перемещениями, сканирует измерительные сигналы, сравнивает связанные между собой показания для определе­ ния конусности, эксцентрицитета деталей, отбраковывает де­ фектные детали и направляет годные на дальнейшую обра­ ботку.

Наиболее важной функцией ЭВМ является автоматичес­ кая поверка устройства с внесением коррекции на износ и на смещение настройки.

Автомат контролирует размеры и геометрическую форму тормозов в процессе вращения, имитирующем эксплуатацион­ ные условия в автомобиле. Диски поступают по роликовому конвейеру и перемещаются через измерительные позиции транс­ портным устройством с мотоприводом. Брак отмечается цвет­ ным кодом с помощью горячего .воска. Забракованные ЭВМ узлы автоматически передаются на второй конвейер для ис­ правления.

Каждая сторона тормозной поверхности контролируется в трех радиально расположенных местах по толщине, радиаль­ ному и торцевому биению, плоскостности, параллельности и другим параметрам. Производительность автомата при кон­ троле семи параметров 500 шт./ч.

Для деталей сложной формы типа турбинных лопаток, где создание автоматических транспортных устройств экономичес­ ки неэффективно и технически сложно, фирма Brown & Sharpe разработала полуавтоматическое устройство {46].

Заказчиком устройства являлась фирма, выпускающая 44 типоразмера правых и левых лопаток от 240 до 1420 мм длиной и. до 254 мм шириной. Лопатки контролируются в 20 точках. Раньше для каждого типоразмера лопаток требо­ валось отдельное контрольное устройство, настройка его за­ нимала 2 ч, время контроля составляло 30 мин.

В устройстве фирмы Brown & Sharpe применены быстро­ сменные наконечники и регулируемые держатели для всех 44 типоразмеров. Кнопочное управление настройкой, выпол­ няемой электронным компенсатором, сократило время на­ стройки до 35 мин.

В систему входит 20 электронных головок, печатающее ус­ тройство, модифицированный модульный усилитель Tesa.

Зажим контролируемой лопатки осуществляется пневма­ тическим устройством с педальным управлением. Перемеще­ ние измерительных головок выполняется пневмоцилиндром.

41

Оператор только устанавливает на усилителях границы допус­ ка для каждой точкиУстройство печатает номер детали, но­ мер позиции, отклонения размеров и сигнализирует о выходе размеров за пределы допускаПогрешность измерения снизи­ лась с ±0.076 до ±0,038 мм, стабильность с 0,013 мм доведе­ на до 0,005 мм. Время измерения, включая загрузку, выгруз­ ку, печатание, составляет 40 с.

В области приемочного контроля интересен' опыт фирмы Raleigh Industries, организовавшей несколько лет тому на­ зад автоматический технологический контроль продукции с использованием ЭВМ [41, 47]. Целью этого мероприятия яв­ ляется возможность выдачи оператору и наладчику станков информации о качестве продукции. Хотя система срабатыва­ ет быстро, все же, поскольку контроль отделен от станков, существует опасность попадания брака в годную продукцию. При большом объеме производства метод обеспечивает качес­ тво и сокращает брак. Результаты в случае необходимости мо­ гут печататься, сигнализация автоматическая.

Координатные измерительные машины

Разрыв между временем, затрачиваемым на обработку и на контроль, особенно резко сказывается при изготовлении деталей сложной пространственной формы.

Если раньше, при традиционных методах обработки и обычных станках, на изготовление таких деталей затрачи­ вались дни, то теперь на агрегатных станках или станках с программным управлением эта обработка занимает часы, в автоматических линиях отдельные операции продолжаются минуты, а при обработке без снятия стружки — секунды.

Однако в крупносерийном и массовом производстве опас­ ность брака дорогостоящих деталей вызывает необходимость тщательной проверки первых деталей и штампов, а такая проверка традиционными методами на плите с помощью набо­ ра ручных инструментов очень трудоемка и непроизводитель­ на и ведет к длительному простою дорогого оборудования.

Эти задачи все в большей степени сейчас разрешаются с помощью трехкоординатных измерительных машин, обеспе­ чивающих экономию времени, упрощение и повышение точ­ ности контроля [50—65].

К 1972 г. только машин фирмы Bendix Согр. (США) ис­ пользовалось в промышленности около 1500, а машин Fer­ ranti (Великобритания) — 800.

В ФРГ работает на заводах около 200 машин.

Основным назначением машин является не решение ка­

42

ких-то конкретных задач измерений, а упрощение методов из­ мерения и уменьшения затрат времени на контроль [50, 51].

Появление координатных измерительных машин тесно свя­ зано с развитием станков с программным управлением, кото­ рые необходимо проверять как при изготовлении, так и при эксплуатации. Когда в 1961 г. появились первые координат­ ные машины Ferranti, построенные на базе координатных ра­ сточных станков, потребность в таких машинах настолько на­ зрела. что в первые полтора года несмотря на их высокую стоимость было продано 350 машин [41].

Накопленный промышленностью опыт автоматического контроля показал, что специальные автоматы для деталей сложной формы нерентабельны, так как стоимость транспорт­ ных устройств доходит до 90% стоимости автоматов [47]. Кроме того, установка тяжелых деталей сложной формы в по­ ложение измерения с требуемой точностью очень затрудни­ тельна, а создание устройств для поворота деталей с целью измерения в нескольких направлениях технически трудно

осуществимо.

Координатные измерительные машины являются приме­ ром оптимального сочетания в области размерного контроля человека и машины. Их можно рассматривать как высшее до­ стижение современной техники линейных и угловых измере­ ний и как наиболее перспективное средство измерения раз­ мерных параметров вне станков на ближайшее будущее

[51—53].

Важными преимуществами координатных измерительных машин, предопределившими их широкое распространение на предприятиях с мелкосерийным производством и широким ас­ сортиментом продукции, являются их универсальность, просто­ та переналадки, отсутствие необходимости точной установки контролируемой детали, возможность измерения всех, разме­ ров е одной установки.

Координатные измерительные машины по своей конструк­ ции подразделяются на три группы: машины, построенные на принципе координатных расточных станков, машины, подобные радиально-сверлильным станкам, и портальные машины.

Машины первой группы наиболее точны. Машины второй группы с выступающей консолью первоначально предназна­ чались для двухкоординатных измерений, но затем задачи из­ мерения потребовали .внесения конструктивных усовершенст­ вований их механической конструкции ,и введения третьей координаты. Эти две группы машин имеют ограниченное по­ перечное перемещение по координате У. Для деталей боль­ ших габаритов потребовалась портальная конструкция.

43.

Все машины допускают цифровой отсчет координат. При­ менение координатных измерительных машин все время рас­ ширяется. Стоимость их зависит от ряда факторов, в том числе точности, размеров, быстродействия, оснащенности электрон­ ными узлами, расширяющими возможности машин. Бели ма­ шины применяются для контроля деталей сложной формы с относительно грубыми допусками, например поковок или от­ ливок корпусных деталей, то можно выбрать более дешевую, но менее точную машину с большей или меньшей производи­ тельностью в зависимости от объемов производства.

Для наиболее точных работ, например для проверки стан­ ков с программным управлением и для подготовки програм­ мы для этих станков, имеются высокоточные машины с раз­ личным быстродействием.

Любой процесс измерения состоит из трех фаз: (подготовка к измерению, т. е. определение по чертежу под­

лежащих измерению размеров и предварительные расчеты, выбор соответствующих щупов и датчиков, установка детали в положение измерения;

собственно измерение, при котором проверяется со­ ответствие фактических размеров заданным чертежом;

■обработка результатов измерений, т. е. непосредственное снятие показаний или составление протокола. Первая фаза измерений для деталей сложной формы может быть доста­ точно длительной и занимать до 50% общего времени изме­ рения. Здесь заложены огромные возможности экономии при применении координатных измерительных машин, позволяю­ щих выполнять (вое измерения с одной установки. Эта эко­ номия еще увеличивается при сочетании измерительной ма­ шины с ЭВМ, которая позволяет отказаться от предваритель­ ного выравнивания объекта измерения по осям. ЭВМ может выполнить иерерасчет координат на любую базу и (вносить автоматически все (поправки в результаты измерений.

Вторая фаза—(непосредственно измерение—«а коорди­ натных измерительных ‘машинах обычно очень невелика, так как заключается в перемещении щупа по точкам или конту­ ру и отсчете размеров ,по удобно расположенным цифровым устройствам.

Третья фаза-—обработка результатов измерений —при наличии печатающих устройств, а тем более ЭВМ, полностью автоматизируется и совмещается по времени с процессом измерения.

В печатающем устройстве могут быть применены логичес­ кие элементы, сравнивающие полученные данные с записан­ ными на перфоленте границами допусков и регистрирующие в

44

протоколе выход размеров из допуска.

Высшей ступенью автоматизации является сочетание ко* ординатной измерительной машины с ЭВМ и управление всем процессом измерения по программе.

Такие машины оснащаются набором программ, в которые занесены все необходимые команды. Нужная программа устанавливается нажатием кнопки.

Машины могут измерять в прямоугольных и полярных координатах, по отдельным точкам или по контуру. Кроме абсолютных измерений они могут производить сравнение с образцовой деталью.

В среднем экономия времени при использовании коорди­ натных машин вместо традиционных средств измерения сос­ тавляет 50—80%. Особенно большая экономия времени дос­ тигается при сочетании измерительной машины с ЭВМ.

В работе [54] приведена таблица, показывающая затраты времени на контроль типовых деталей тремя разными мето­ дами: традиционным, на координатной измерительной маши­ не (КИМ) и на машине в сочетании с ЭВМ (табл. .3).

_______________________________ Т а б л и ц а 3

Время контроля в часах и минутах (даны через точку)

Приводимые фирмами технические характеристики машин дают обычно ясное 'представление о их рабочих диапазонах, допускаемой нагрузке, массе и габаритных размерах. Данные по погрешностям измерений сравнивать труднее, так как нет единства в приводимых параметрах. Можно встретить следую-

45

щие даиные: повторяемость показаний (среднеквадратичес­ кое отклонение); погрешность измерения; погрешность по­ зиционирования по осям X, У, Z; погрешность по одной оси; погрешность по осям X, У, Z; допускаемая механическая по­ грешности в одном направлении или по одной определенной плоскости. Иногда нельзя определить идет ли речь о средней или максимальной погрешности. Часть этих погрешностей сопоставима, часть не поддается сравнению.

Основными источниками погрешностей машин являются погрешности, связанные с электронными системами измере­ ний перемещений и ощупывания, контактные погрешности и механические погрешности, зависящие от жесткости ста­ нин, прямолинейности и взаимной перпендикулярности нап­ равляющих. Эти погрешности направляющих вызывают пог­ решность компарирования. Для устранения погрешностей направления конструкторы применяют разные усовершенст­ вования, например сочетание плоских направляющих с экс­ центрично расположенными подпружиненными роликами, круглые направляющие с шарикоподшипниками, подшипники на воздушной смазке, гидростатические подшипники.

До последнего .времени наиболее точные направляющие получали путем шабровки. Метод позволяет устранять не­ ровности и, тем самым, прогиб под действием веса. Такие направляющие применяются часто на .машинах типа коорди­ натно-расточных станков. Необходимость пришабривания направляющих вызывается тем, что никакой метод машинной обработки не может гарантировать абсолютной ровности на­ правляющих. Необходимо обеспечить возможность дополни­ тельной юстировки для сведения к минимуму погрешностей направления. Для механических направляющих линейная юстировка осуществляется обычно путем затяжки или при­ менения предварительного натяга.

В последние годы стали широко применяться подшипни­ ки на воздушной смазке. Они обеспечивают высокую прямо­ линейность перемещений. Но для них являются, критичными связь металла и воздуха и влияющие на этот параметр тем­ пература, влажность и чистота воздуха. Кроме того, легкость страгивания не означает легкость торможения при достиже­ нии измерительной позиции.

Таким образом, все направляющие имеют свои плюсы и минусы. Механические — требуют большей юстировки, воз­ душные и гидростатические —зависят от условий среды. Кро­ ме того, имеет большое значение соотношение длины направ­ ляющих и диапазона измерения и расположение точек опор.

46

Необходимо также обеспечить взаимную перпендикуляр­ ность направляющих. Точность по одной координате не ха­ рактеризует точность машины в целом.

В измерительных машинах нельзя обеспечить полного соблюдения принципа Аббе по всем трем осям, хотя !в послед­

ности и перекосов направляющих возрастает по мере удале­ ния измеряемого участка от какой-либо из направляющей и в наихудшем случае при измерении по диагонали пространст­ венная погрешность может составить корень квадратный из суммы квадратов максимальных линейных отклонений.

Кроме погрешностей механической части приходится учи­ тывать погрешности системы измерения перемещений. Приме­ няются аналоговые и цифровые системы. Наибольшее распро­ странение в последние годы получили инкрементальные сис­ темы, основанные на накоплении отсчитываемых импульсов.

Типичными представителями аналоговых систем являют­ ся разновидности метода индуктоеина, состоящие из «элек­ трического масштаба» и аналогового датчика. В измери­ тельных машинах аналоговый сипнал с помощью аналого-ци­ фрового преобразователя преобразуется в дискретный. Раз­ решающая способность машины соответствует шагу дискрет­ ности. Для повышения разрешения при визуальном отсчете этот шаг можно подразделять аналоговыми методами, но при печатании или дальнейшей обработке данных это, как прави­ ло, бесполезно. Дискретные системы состоят из стеклянной или стальной шкалы с линейным датчиком или из механичес­ ких подразделений (рейка, винт) с датчиком угловых переме­ щений. Появившиеся в последние годы фотоэлектрические линейные системы ( Heidenhain, Philips и др.) получают всебольшее распространение. Они не изнашиваются, поскольку работают без механического контакта, не имеют передаточ­ ных элементов, поэтому точнее и надежнее. Деления шкал, которые составляют 0,01 или 0,12 мм, с помощью электроники подразделяются на тысячные доли миллиметра. Как указы­ валось при описании системы Phocosin дальнейшее увеличе­ ние разрешающей способности линейных измерительных сис­ тем потребовало принципиально нового решения.

При ручном управлении машинами скорости перемеще­ ний кареток и датчиков очень различны и от электронного устройства машины требуется, чтобы оно обеспечивало вос­ приятие каждого импульса даже при максимальной скорости.

47

Погрешности, не зависящие от конструкторов машин, вы­ зываются самими объектами измерений (неровности поверх­ ностей, дефекты базовых точек и поверхностей и т. д.). Не учитываемые изготовителями погрешности могут быть вызва­ ны неправильным выбором формы измерительных наконечни­ ков.

До последнего времени усилия конструкторов координат­ ных измерительных машин были направлены на усовершен­ ствование механических устройств, обеспечивающих прямо­ линейность и взаимную перпендикулярность перемещений, легкость трогаиия и торможения, а также на совершенствова­ ние электронных устройств измерения перемещений и пози­ ционирования, отсчета и обработки результатов измерения. В этих направлениях использовались все новейшие достиже­

ловки и щупы. Различие измерительных усилий составляло один из источников дополнительных погрешностей.

С помощью электронных головок удалось повысить точ­ ность измерений, уменьшить измерительное усилие, устра­ нить погрешность обратного хода и сократить время измере­ ния.

Применяются два типа головок с двумя или с тремя сте­ пенями свободы. Их погрешность не превышает 1—2 мкм и мало сказывается на суммарной погрешности измерения.

Все применявшиеся до сих пор головки служили только в качестве датчиков импульса, т. е. при достижении щупом оп­ ределенного положения выдавали импульс, который затем цифровым отсчетным устройством направлялсяна дальней­ шую обработку.

Только с 1972 г. появились универсальные электронные головки, участвующие в самом процессе измерения, т. е. вы­ полняющие измерительные перемещения для непосредствен­ ного определения отклонений измеряемых деталей. Трудность создания таких головок заключается в многообразии решае­ мых на одной машине измерительных задач, различии формы, размеров и допусков деталей.

Поэтому переход от сменных головок или щупов для дета­ лей простой формы к универсальной трехкоординатной го­ ловке фирмы Zeiss, которая будет описана ниже, рассматри­ вается как значительный успех в автоматизации и объективи­

48