книги из ГПНТБ / Шульц, Е. Ф. Индуктивные приборы контроля размеров в машиностроении

ГЛАВА V

ПРИБОРЫ АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ ВАЛОВ С БЕСКОНТАКТНЫМ ИНДУКТИВНЫМ ДАТЧИКОМ

1. БЕСКОНТАКТНЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ

Ыа современных шлифовальных станках с целью по­

90

проницаемость) поверхностного слоя обрабатываемых деталей;

б) конструкции измерительного устройства с бескон­ тактным индуктивным датчиком, обеспечивающей кон­ троль диаметров валов (с гладкой и прерывистой

ключения измерительно-командных усилителей на вре­ мя прохождения паза при контроле шлицевых отвер­ стий.

В бесконтактных индук­ тивных датчиках контроли­ руемым параметром являет­ ся индуктивность L, величи­ на которой не остается по­ стоянной при изменении воз­ душного зазора с подвиж­ ным сердечником, роль кото­ рого обычно и выполняет объект измерения, выполнен­ ный из ферромагнитного ма­

териала. Для контроля валов при шлифовке необходимо иметь конструкцию датчика, обеспечивающую высокую чувствительность к изменению диаметра и малую по­ грешность от установки измерительного устройства отно­ сительно детали. При расположении датчика 1, как пока­ зано на рис. 60, деталь 2 является одновременно якорем для сердечников двух катушек L] и Li и поэтому ради­ альные перемещения жестко связанных секций датчика будут вызывать одновременно увеличение одной и умень­ шение другой индуктивностей катушек. Однако суммар­ ная индуктивность обеих катушек остается почти неиз­ менной.

Иначе изменяются индуктивности катушек при из­ менении диаметра детали. В этом случае индуктивности изменяются в одну сторону, что приводит к значитель­ ному изменению суммарной индуктивности. Чтобы погрешность от изменения магнитных свойств деталей лежала в допустимых пределах, чувствительность дат­ чика к изменению зазора (изменению размера детали) должна быть в k раз больше чувствительности к изме­ нению магнитной проницаемости контролируемых дета­ лей, т. е.

91

деталей не должна превышать 1% от величины зазора, то величина k не должна быть меньше возможных пределов изменения магнитной проницаемости мате­ риала деталей Дрд в процентах, т. е. при Дрд = 30% величина k ^ 30; при Дрд = 100%, k ^ 100 и т. д. Как показали исследования {27], такие значения k практиче­ ски достижимы. Рассчитаем требуемую величину k для

92

На оснований выражений (19) и (20) разработаны датчики с сердечниками из пластин электротехнической стали и сердечниками из магнитомягкого материала Армко круглой формы и прямоугольной.

Основные показатели датчиков приведены в табл. 2.

возможном диапазоне изменения зазора.

Из табл. 2 видно, что датчики мало отличаются по всем показателям, за исключением погрешности, вноси­ мой приближением бурта. В этом случае погрешность датчика с сердечником из пластин в десятки раз превы­ шает погрешность датчиков, магнитопроводы которых выполнены из Армко, что объясняется недостаточной экранировкой датчика с сердечником из Ш-образных пластин. Опытный образец датчика, выполненный с сердечником прямоугольной формы из Армко, показал лучшие результаты.

Исследования показали, что погрешность измерения Yr при неточной установке датчика в пределах ±50 мкм относительно контролируемой детали может составлять для различных конструкций датчика до 0,5— 1,0 мкм. Однако на практике не всегда удается установить изме­

для различных значений рабочего зазора б показывают, что применяемая схема суммирования обеспечивает снижение погрешности от радиальных перемещений (погрешность установки) только до 2% от величины перемещений, не превышающих 15% от величины зазо-

93

труднено и в большинстве случаев нецелесообразно.

2. СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ МОСТА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ОДИНАРНЫМ ДАТЧИКОМ

индуктивным датчиком. Для упрощения анализа первичные обмотки дифференциального трансформато­ ра заменены в плечах моста активными сопротивления­

94

ми. На рис. 62, б показана эквивалентная схема моста. Сопротивления Ri и R2 активных потерь датчика и до­ бавочной индуктивности складываются из сопротивле­ ний активных потерь в железе и омических сопротивле­ ний обмоток. Величина сопротивления R i активных по­ терь датчика изменяется при изменении воздушного зазора и при изменении температуры. Из общей темпе­ ратурной погрешности датчика значительная доля па­ дает на изменение величины активных потерь.

На рис. 63 изображена топографическая диаграмма моста. Отрезок, соединяющий потенциальные точки с и

через точку d. Касательные М и N к этим окружностям, проведенные через точку d, будут перпендикулярны друг к другу.

95

При изменении воздушного зазора величина Ri и изменяются одновременно:

/?1= Т О ; x Ll = f"(6),

где б — длина воздушного зазора.

При этом точка с будет перемещаться по траектории, отражающей зависимости Ri и X l, от б. На топогра­ фической диаграмме эта траектория изображена кривой

ратуры обмотки и сердечника датчика. В первом случае точка с смещается по кривой ST, во втором— по дуге окружности Q. Рассматривая второй случай, можно заметить, что проекция выходного напряжения на ось М при изменении температуры датчика будет иметь весьма малую величину. Если применить указатель, реагирую­ щий только на проекцию вектора выходного напряжения на ось М, то влияние температуры на точность измере­ ния перемещения будет значительно ослаблено.

В качестве такого указателя может быть применена одна из схем (см. гл. I, п. 3), реализующих функцию

/co = kldx COS(p,

где / ср — сила тока через рамку прибора;

0 Х— комплексное значение напряжения измеряе­ мого сигнала;

Ф — угол сдвига фаз между напряжением сигна­ ла 0 Хи опорным напряжением 0 У.

Обычно для получения максимальной чувствитель­

ности указателя угол сдвига фаз ф между 0 Х и 11у уста­ навливается таким, чтобы он был равен нулю или я при небольших смещениях якоря датчика в ту и другую сторону от состояния равновесия моста. В этом случае на указатель действует как изменение индуктивности, так и изменение активного сопротивления, возникающее

96

при перемещении якоря датчика. На топографической

диаграмме направление вектора Uy должно в этом слу­ чае совпадать с направлением касательной к ST.

Установка такого фазового сдвига рациональна только с точки зрения получения максимальной чувстви­ тельности. Для получения минимальной температурной

погрешности направление вектора Uy должно совпадать с направлением оси М, т. е. угол ср должен быть равен углу Ф проекции вектора выходного напряжения на ось М. В этом случае указатель реагирует только на изменение индуктивности датчика и почти нечувствителен к изме­ нению его активного сопротивления.

Из этого следует, что действующая крутизна преоб­ разования датчика, отнесенная к току в рамке указа­ теля, уменьшится и составит

Sy = S0coscp,

где S0 — крутизна преобразования датчика с примене­ нием амплитудного указателя.

Это уменьшение может быть скомпенсировано при­ менением более чувствительного указателя или увели­ чением коэффициента усиления усилителя напряжения

сигнала 0 Х.

Необходимо заметить, что стрелочный указатель реагирует только на индуктивную составляющую век­ тора выходного напряжения, а усилитель и фазочув­ ствительная схема на модуль этого вектора. Это озна­ чает, что динамический диапазон усилителя должен быть расширен до величины

COS ф

где Uо — максимальное неискаженное напряжение на выходе усилителя с амплитудным указателем.

Характеристика фазочувствительной схемы должна быть линейной для высоких входных напряжений.

Методика наладки схемы проста. Мост уравновеши­ вается по осциллографу, включенному на его выход до полного баланса первой гармоники. На экране осцилло­ графа, в котором усилитель напряжения вертикального отклонения имеет большую чувствительность, баланс первой гармоники хорошо виден. Затем надо увеличить активное сопротивление плеча с индуктивным датчиком

на величину, составляющую 0,5—0,75 ожидаемого при­ ращения активного сопротивления датчика под дей­ ствием температуры. Регулировкой фазы добиваются нулевых показаний указателя.

Все построения топографической диаграммы выпол­ нены для равновесного состояния моста и показывают возможность уменьшения температурного ухода нуле­ вой точки прибора. Однако нетрудно показать, что отрегулированная по предложенной методике схема будет в значительной мере защищена от температурной погрешности и при показаниях прибора, отличных от

Р и с. 64. Г р а ф и к и з а в и си м о с т и т е м п е р а т у р н о й п о ­ г р е ш н о ст и д а т ч и к а о т ф а з о в о г о сд в и г а

прибора, и проведя дугу Q' с центром в точке q', най­ дем, что касательная N' к этой дуге, проведенная через точку Т, будет почти параллельна касательной N. Отклонение от параллельности будет тем .меньше, чем меньше относительное изменение полного сопротивле­ ния датчика. Так как в подавляющем большинстве случаев относительное изменение полного сопротивле­ ния датчика не превышает 10— 15%, отклонение от па­ раллельности касательных N и N' не превысит 5—7°

Графики, показанные на рис. 64, иллюстрируют ре­ зультаты, достигнутые с помощью метода установки фазы. Кривая / показывает отклонение стрелки при регулировке фазы, обеспечивающей максимальную чув­ ствительность, т. е. при угле ср, равном нулю или л; кривая 2 — при угле ср, равном углу ф>.

98

3. ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Измерительное устройство (рис. 65) предназначено для измерения валов диаметром от 10 до ПО мм. Ин­ дуктивный датчик 4 закреплен на подвижной рамке 7 Рамка перемещается по линейке 5, на которой нанесена шкала с ценой деления 1 мм. Для плавного перемеще­ ния и точной настройки на заданный зазор применяется устройство микрометрической подачи 3. Линейка с по­

мощью кронштейна 6 закреплена на приборе ввода. Положение линейки с датчиками относительно детали может изменяться микровинтом 1. Настройка измери­ тельного устройства на заданный размер сводится к установлению определенного зазора между датчиком и эталоном. Эталонная деталь закрепляется в центрах. Измерительное устройство с датчиками, разведенными на заведомо больший размер, подводится к эталону, Освобождаются стопорные винты 2, и подвижная рам­ ка 7 с закрепленным на пей датчиком 4 плавно подво­ дится к эталону до касания. Устройством микрометри­ ческой подачи 3 устанавливается необходимый зазор, величина которого отсчитывается по нониусу.

После установки зазора зажимаются стопорные винты 2 и прибор готов к работе.

4* eg