Введение

    Метрологическое обеспечение (МО) промышленного производства играет важную роль в современных  условиях. Это обуславливается причинами, отражающими общие тенденции  развития народного хозяйства. Растут требования к качеству и достоверности (точности) измерений, необходимых для создания изделий высокого качества. Измерительная информация буквально пронизывает весь цикл проектирования и производства продукции. А именно данные о свойствах материалов, определяющие надежность, долговечность деталей, узлов, машин, результаты испытаний, по которым совершенствуются, «доводятся» конструктивные и технологические решения. Результаты измерений, необходимые для эффективного управления технологическими процессами, результаты контроля, по которым принимаются решения о реальном качестве продукции, целесообразности ее выпуска.

    Получение и использование недостоверных  измерительных данных приводит к  нарушению производственного цикла, снижению эффективности производства, к неоправданным экономическим  потерям, снижению качества разрабатываемой и выпускаемой продукции.

    Взаимосвязь качества измеряемой информации (точности, достоверности результатов измерений, испытаний, контроля) и качества выпускаемой  продукции убедительно подтверждается практикой. Там, где широко и правильно применяют современные достижения метрологической науки, там выше культура производства, технический уровень выпускаемых изделий.

    В условиях автоматизированного производства и широкого использования робототехнических  систем, особо большое значение приобретают вопросы МО. Это связано с тем, что результаты измерений, контроля качества и количества сырья, материалов, полуфабрикатов, деталей и узлов является единственной информацией, необходимой для управления технологическими процессами, производством. Единственный недостоверный результат измерений или контроля способен дестабилизировать работу системы управления, привести к массовому браку.

    На  современном этапе развития производства МО превратилось в активный и реальный инструмент, обеспечивающий создание эффективных технологических процессов, высокопроизводительных, современных машин, внедрение гибких автоматизированных производств, достоверную оценку и контроль качества готовой продукции. Именно поэтому, важным резервом в решении проблемы выпуска качественной продукции является совершенствование МО промышленного производства.

    В настоящее время перед отечественной  промышленностью стоит задача освоения новых эффективных конструкций  передач винт-гайка. В точных приводах различных отраслей промышленности широкое применение нашли шариковинтовые передачи (ШВП). ШВП отличаются высоким коэффициентом полезного действия (КПД), высокой точностью. Они, также относительно дешевые в изготовлении. Однако постоянно растущие требования к передачам винт-гайка в составе привода выявили определенные ограничения ШВП в частности по редукции, предельной скорости, грузоподъемности, долговечности и жесткости. В качестве альтернативы ШВП появились другие виды передач винт-гайка, в том числе роликовинтовые передачи (РВП).

    РВП – это планетарная передача винт-гайка качения с резьбовыми роликами. РВП обладают реверсивностью, т.е. вращательное движение винта преобразуется в поступательное перемещение гайки и наоборот.

    Сравнительный анализ, а также опыт проектирования и эксплуатации показывает, что РВП по ряду своих технико-эксплуатационных характеристик превосходят другие виды передач винт-гайка. Так их нагрузочная способность и жесткость в 2-3 раза выше, чем у ШВП, они способны воспринимать ударные нагрузки, сохраняют свою работоспособность в широком интервале температур и в условиях загрязненности и обледенения. Имеют высокую стабильность выходного перемещения на низких скоростях. Позволяют конструктивно просто устранить люфт в сопряжениях, имеют достаточно высокий КПД и широкие возможности для выбора величины, передаточных функций, что расширяет их кинематические возможности, позволяют получить высокую точность выходного перемещения при умеренных требованиях к точности изготовления элементов и т.д.

    Передача  с короткими роликами обладает большой долговечностью и жесткостью. Она может быть использована при высоких и весьма высоких скоростях (в пределе до 5 метров в секунду), при длинах перемещений на несколько метров, при высоких и весьма высоких нагрузках в станках, роботах, прессах и т.п.

    Передача  с длинными роликами обеспечивает самую  высокую удельную грузоподъемность, долговечность, жесткость при малых  длинах перемещений. Она может быть использована в приводах станков, роботов, измерительных машин.

    За  рубежом РВП с короткими роликами типа «Transrol» выпускаются серийно с 60-х годов. В нашей стране разработаны усовершенствованные конструкции РВП с короткими роликами и новые эффективные РВП с длинными роликами (РВПД). На ПТО ВАЗ в настоящее время ведется производство РВП типа «Transrol».

    Также во Владимирском Государственном Университете при кафедре «Метрология и стандартизация» создано МГП «Контакт», которое занимается разработкой конструкций РВП различных типов, в частности РВПД, исследованием их характеристик, разработкой методики их проектирования. В связи с тем, что технический уровень РВПД (по диапазону выбора стабильного передаточного числа, грузоподъемности, долговечности, жесткости, приведенному моменту инерции ) превышает мировой уровень, МГП «Контакт» больше ведет разработок по РВПД. Вместе с тем, следует отметить, что у РВПД область перемещения ограничена малыми и средними длинами перемещения, а необходимость изготовления резьбовых роликов с минимальной разноразмерностью приводит к увеличению стоимости РВП, так как трудоемкость изготовления выше на 30 %, чем ШВП.

    Все это достигается путем решения  проблем функциональной взаимозаменяемости передач. Проведенные исследования и опыт промышленности показывают, что изготовление деталей и сборочных  единиц с точно установленными геометрическими, механическими, электрическими и другими функциональными параметрами при оптимальной их точности и оптимальном качестве, создание гарантированного запаса работоспособности машин и приборов позволяет обеспечить взаимозаменяемость всех однотипных изделий, выпускаемых заводом, по их эксплуатационным показателям, т.е. по показателям качества функционирования (точности, производительности и т.д.).

    Проблема функциональной взаимозаменяемости решается в РВП с помощью следующих характеристик: кинематической точности, статической грузоподъемности, долговечности, жесткости, КПД и силе трения. Все перечисленные функциональные характеристики зависят от точности изготовления элементов передачи, которые позволяют обеспечить точность перемещения порядка 0.0001мм и менее.

    Такая характеристика, как кинематическая точность зависит от точности изготовления резьб (точность резьб в пределах мкм), которая позволяет обеспечить перемещение в долях мкм. Распределение  нагрузки по точкам контакта должно быть равномерным. Равномерность достигается с помощью обеспечения натяга, который позволяет устранить люфт в сопряжении, а следовательно добиться высокой точности.

    РВП имеет достаточно высокий КПД. Это  возможно достичь большим количеством  точек контакта, а следовательно  меньшим пятном контакта, которое в свою очередь делает меньше трение качения. От обеспечения жесткости передачи, а также от жестких допусков зависит собственная частота всей системы, которая равна 15-20 Гц, передачи 70-100 Гц. Это опять доказывает то, что передача должна быть точно изготовлена. Следовательно, должно стать более жестким требование к выбору средства измерения.

    Разработка  и постановка на производство новой  продукции осуществляется при условии  ее высокого технического уровня, как  правило, соответствующего высшей категории качества. К высшей категории качества относится продукция, которая по показателям технического уровня и качества превосходит лучшие отечественные и зарубежные достижения или соответствующие им. Для оценки качества продукции служит карта технического уровня и качества продукции. В карту уровня включают номенклатуру основных показателей качества, по которым ведется сравнение оцениваемой и базовой продукции с учетом лучших отечественных и зарубежных аналогов.

    Разнообразие  конструктивных схем и эксплуатационных характеристик РВП позволяет при проектировании создать конструкцию, наиболее полно удовлетворяющую поставленным требованиям.

    РВП следует применять в тех случаях, когда необходимо сочетать высокую  надежность, простоту конструкции, малую  массу и габариты, приходящиеся на единицу нагрузки, с обеспечением высокого качества работы привода в целом.

    РВП применяются в следующих отраслях.

1. Станкостроение:

• токарные и фрезерные станки с программным управлением;

• станки для автоматической заточки инструмента, шлифовальные станки.

2. Литейное оборудование:

• домкраты для перемещения электродов в печах по выплавке алюминия;
• оборудование для производства деталей литьем под давлением.

3. Авиационная промышленность:

• механизмы управления полетом;
• механизмы грузовых платформ и кранов в аэродромном оборудовании.

4. Нефтехимическое и химическое оборудование:

• клапаны для нефтепроводов;
• специальные клапаны и специальные машины для производства резины.

5. Грузоподъемное оборудование:

• лифты;
• домкраты;
• подъемники.

6. Точная техника:

• микроскопы;
• установки контроля дефектов.

1.Особенности конструкции  и принцип действия  роликовинтовых передач

1.1. Известные конструкции  передач винт-гайка

    Для преобразования вращательного движения в поступательное применяется передача винт-гайка скольжения, состоящая из винта и гайки. Передача позволяет получать высокие осевые усилия, имеет проекцию и компактную конструкцию. Основные недостатки: низкий КПД и быстрый износ при работе. Главным направлением устранения этих недостатков является разработка и применение конструкций передач винт-гайка с промежуточными телами качения.

    Наиболее  характерные конструкции РВП:

    а) планетарные передачи с короткими  резьбовыми роликами для преобразования вращательного движения в поступательное с высокой линейной скоростью (длина роликов соответствует длине гайки);

    б) планетарные передачи с длинными резьбовыми роликами для преобразования вращательного движения в поступательное с высокой редукцией (длина ролика соответствует длине винта);

    в) планетарные передачи с резьбовыми роликами для преобразования частот вращательного движения.

    Планетарная передача с короткими роликами типа «SR» (рис.1.1.), выпускаемая рядом зарубежных фирм серийно, напоминает по конструкции  роликовые подшипники и состоит  из винта 1 и гайки 3 с многозаходной  треугольной резьбой линейного профиля и резьбовых роликов-сателлитов 2 с однозаходной треугольной резьбой выпуклого профиля. Для предотвращения выкатывания роликов из гайки углы подъема резьбы на гайке и роликах одинаковы. Для предотвращения проскальзывания роликов вдоль витков резьбы гайки и для обеспечения положения осей роликов параллельно оси винта на концах роликов устроены зубчатые венцы 4, входящие в зацепление с зубчатыми венцами 5 гайки. Цапфы роликов установлены в сепараторах 6. Поскольку угол подъема резьбы роликов отличается от угла подъема резьбы винта, то при вращении винта резьбовые ролики катятся по резьбе винта и гайки, совершая планетарное движение, и вместе с гайкой перемещаются в осевом направлении относительно винта.

    Ролики  могут проскальзывать вдоль винтовой резьбы винта. При проскальзывании роликов передача работает как обыкновенная передача винт-гайка скольжения, где роль гайки выполняет блок роликов. Для выборки зазоров в резьбе гайки выполняют из двух половин, заключенных в общий корпус. При поджатии в осевом направлении гаек друг к другу выбирается зазор в резьбовом сопряжении ролика с винтом.

     Рис. 1.1. Планетарная передача с короткими  роликами типа «SR».

    Кроме передач типа «SR» зарубежными  фирмами выпускаются передачи типа «SV». Передача типа «SV» (рис.1.2.) состоит из винта 1 и гайки 3 с одно или двузаходной резьбой линейчатого профиля и резьбовых роликов-сателлитов 2 с кольцевой треугольной резьбой выпуклого профиля. Ролики установлены в пространственном сепараторе. При движении ролики смещаются в осевом направлении относительно гайки и для их возвращения применяются специальные механизмы. Механизм возврата состоит их кулачка 5, в который упираются ролики при перемещении на ход резьбы, и продольного паза 6 в гайке, в котором под действием кулачка смещаются в радиальном направлении, выходят из зацепления с резьбой винта и перемещаются по пазу в осевом направлении назад. Механизм возврата усложняет конструкцию, но такая передача обеспечивает более высокую редукцию, чем передача типа «SR».

     В Москве профессором Беляевым В.Г. разработана конструкция передачи типа «SV», но с усовершенствованным  механизмом возврата роликов.

    Рис. 1.2. Планетарная передача типа «SV».

1.2. Новые конструкции  роликовинтовых передач  с улучшенными  характеристиками

    Новейшей  конструкцией РВП является передача с длинными резьбовыми роликами (рис.1.3.). Она состоит из винта 1, резьбовых  роликов-сателлитов 2, ходовой 3 и опорной 4 гаек. Для предотвращения выскакивания роликов из опорных гаек угол подъема  резьбы на винте равен по величине, но противоположен по направлению углу подъема резьбы на роликах-сателлитах. Для предотвращения проскальзывания роликов по виткам резьб винта и опорных гаек зубчатые венцы 5 на концах роликов входят в зацепление с зубчатыми венцами 6 винта и зубчатыми венцами 7 опорных гаек. Если провести внешнюю аналогию с планетарными зубчатыми передачами, то винт рассматриваемой передачи соответствует солнечному колесу, ролики – планетарным колесам, опорная гайка – неподвижному коронному колесу. Ходовая гайка закреплена от вращения, и угол подъема ее резьбы отличается от угла подъема резьбы роликов. При вращении винта резьбовые ролики катятся по резьбам винта и гаек, совершая планетарное движение, и приводят в движение в осевом направлении ходовую гайку. Гайки могут быть выполнены из двух половин для выборки зазора в передаче.

     Рис. 1.3. Планетарная передача с длинными резьбовыми роликами.

    Использование резьбовых роликов в качестве промежуточных тел качения не только существенно повышает КПД  РВП по сравнению с передачами винт- гайка скольжения, но и прочностным характеристикам по сравнению с ШВП.

    Резьбовые ролики обеспечивают для передачи следующие  положительные свойства:

    а) величина осевого перемещения основного  звена (винта или гайки) относительно катящегося ролика за оборот зависит от разности углов подъема резьб на основном звене и ролике. Для увеличения длины осевого перемещения эту разность выполняют большой, а для уменьшения величин осевого перемещения эту разность выполняют малой. При равенстве углов подъема резьб ролика и гайки нет их относительного перемещения;

    б) в отличие от шариковой передачи шаг резьбы и диаметр ролика не связаны между собой однозначной  зависимостью и при шаге резьбы 1-2мм диаметр ролика может быть достаточно большим;

    в) планетарные передачи с резьбовыми роликами за исключением специальных конструкций не имеют механизма возврата тел качения роликов;

    г) выполнение определенных соотношений  углов подъема и углов профиля  резьбы ролика с углами подъема и  углами профиля резьбы винта или гайки могут обеспечить самоторможение передачи (при этом КПД снижается, но остается выше 0.5).

2. Метрологическая  экспертиза конструкторской  документации

2.1.Общие  положения

    Вся документация на техническую систему, начиная от проекта технического задания на ее разработку и заканчивая актом ее списания в эксплуатации, подвергается метрологической экспертизе (метрологическому контролю). Метрологическая экспертиза нормативно–технической документации (МЭ НТД) – это анализ и оценка технических решений по выбору параметров, подлежащих измерению, установлению норм точности измерений и обеспечению методами и СИ процессов разработки, изготовления, эксплуатации и ремонта изделий. Цель МЭ НТД заключается в проверке соответствия метрологических положений НТД требованиям стандартов ГСИ и других нормативных документов.

    Основные  задачи МЭ НТД и способы их выполнения приведены в таблице 2.1.

    Порядок и организация проведения экспертизы конструкторской технологической  документации подробно изложен в  МИ 1325–86. В эксплуатации основным объектом МЭ являются программы и МВИ, а так же эксплуатационная документация. Номенклатуру эксплуатационных документов устанавливает ГОСТ 2.601–68: техническое описание (ТО), инструкция по эксплуатации (ИЭ), паспорт (ПС), формуляр (ФО).

    Допускается объединять отдельные документы ТО и ИЭ, выпускаются под наименованием « Техническое описание и инструкция по эксплуатации» (шифр ТО); ТО, ИЭ и ПС – под наименованием «Паспорт» (шифр ПС).

    Основная  цель МЭ НТД в эксплуатации –  анализ рациональности номенклатуры измеряемых параметров, правильности выбора СИ, а так же оценивание влияния погрешностей измерений на технико–экономические показатели эксплуатации СЭ.

    Перед МЭ осуществляют так называемую метрологическую  проработку, задачами которой являются поиск технических решений по выбору параметров, норм точности, методов и СИ. Таким образом, МЭ в известной мере осуществляет контроль над метрологической проработкой, которою производит разработчик НТД (конструктор, технолог).

    Наличие стандартов на МВИ или выбор СИ сводит функции МЭ к установлению соответствия НТД требованиям этих стандартов. Например, при организации линейных измерений достаточно лишь убедится, что выбранный метод определения допусков погрешностей измерения соответствует ГОСТ 8.051–81.

    Выбор СИ заключается в определении погрешности и диапазона его шкалы в зависимости от величины измеряемого параметра и его допускаемого отклонения, а также определение модификации СИ. При измерении одним и тем же СИ нескольких параметров поверка осуществляется для каждого случая. Погрешность измерительной системы состоящей из нескольких измерительных элементов с нормированной погрешностью, рассчитывается согласно требованиям государственного стандарта.

    Таблица 2.1.

    Задачи  МЭ НТД и способы их выполнения.

    Если  условия эксплуатации СИ значительно  отличаются от нормальных и это отличие  специально оговаривается разработчиком, то на основе паспортных данных СИ рассчитывается его погрешность в реальных условиях эксплуатации и определяется правомерность выбора средства измерения. Далее по справочнику или описаниям проверяется обоснованность выбора разработчиком модификации СИ или НСИ.

    В первую очередь, проверяется правильность записи метрологических характеристик  СИ в документации (указание типа, предела  измерения, класса точности, государственного стандарта, а также технического условия), т.е. контролепригодность, возможность контроля параметров изделия стандартными СИ или аттестованными НСИ. В том случае если параметр неконтролепригоден, следует изменить величину параметра или его допуск, базу или форму детали, не нарушив функционирования изделия, а также создать условия для применения стандартного СИ.

    Существенно и то, что МЭ конструкторской и  технологической документации должна производиться до метрологического нормоконтроля. Это дает возможным  «отсеять» не перспективные разработки на ранней стадии проектирования, более качественно провести последующую МЭ технологических карт и маршрутов назначит оптимальные требования к СИ и МВИ.

    МЭ  НТД должна не только оценить перспективность  требований к МХ СИ, но и установить соответствие их уровню производства, место СИ в поверочной схеме при эксплуатации контролепригодность ТС, организацию и порядок госинспекций, требования к вопросам охраны труда.

    При МЭ эксплуатационных документов (ЭД) выполняют  следующие работы:

    1) оценивают обоснованность номенклатуры  параметров, измеряемых в процессе эксплуатации (включая параметры, измеряемые при настройке и регулировании ТС, проверках технического состояния ТО и ТР в процессе эксплуатации). Число этих параметров должно быть минимальным, но достаточным для обеспечения заданных технических характеристик, своевременного выявления и устранения неисправностей. Обоснование номенклатуры параметров, измеряемых при эксплуатации, необходимо реализовать на стадии технического (эскизного) проекта. При отсутствии такого обоснования эксперт должен предложить выполнить его на последующей стадии разработки, а ряде случаев – проанализировать номенклатуру измеряемых в процессе эксплуатации параметров непосредственно при МЭ;

    2) проверяют соответствие контролируемых  параметров требованиям технических  условий и ТЗ. Технические данные, зафиксированные в ЭД, должны быть не хуже требуемых по ТЗ, но и не лучше гарантируемых по техническим условиям. Формы выражения технических данных не должны допускать возможности различного толкования соответствующих свойств ТС. При необходимости должны быть приведены пояснения, исключающие такую возможность;

    3) проверяют наличие норм точности  измерений, требований к достоверности  контроля или других требований, исходя, из которых может быть  выполнен анализ правильности  выбора СИ и параметров, измеряемых в процессе эксплуатации. При отсутствии НТД, регламентирующей такие нормы и требования, они должны быть установлены в ТЗ на разработку изделия или обоснованы в техническом (эскизном) проекте. При отсутствии требований, являющихся исходными для проверки правильности выбора СИ, эксперт должен вместо положительного заключения предложить разработчику обосновать эти требования;

    4) оценивают контролепригодность  конструкции ТС и его составных  частей в процессе эксплуатации. Контролепригодность конструкции достигается: возможностью доступа к встроенным СИ для их поверки без демонтажа, а также к элементам настройки и регулировки СИ и средств контроля; достаточным количеством контрольных гнезд и разъемов, нанесением у контрольных гнезд надписей и других обозначений, упрощающих процесс контроля (обозначения единиц физических величин и надписей, помещаемых на изделиях используют только международные), унификацией конструкции контрольных гнезд и разъемов; унификацией видов и уровней стимулирующих и контролируемых сигналов; наличием в составе изделия соединительных элементов, кабелей и других элементов, необходимых для контроля; достаточной защитой от влияния на точность измерений внешних и внутренних помех; исключением других факторов, вызывающих неприемлемо большие составляющие погрешности измерений, определяемые конструкцией;

    5) при наличии в составе изделия  СИ проверяют:

• полноту перечня СИ в разделе «Контрольно-измерительные приборы». В разделе должны быть указаны все встроенные СИ , а также входящие в его комплект специальные СИ, необходимые для настройки и регулирования изделия, проверок состояния его ТО выявления и устранения неисправностей;
• полноту и правильность выражения приведенных технических характеристик СИ;
• соответствие условий применения СИ (по документации на них) условиям эксплуатации изделия;
• соответствие СИ номенклатуре средств измерений, разрешенных к применению;
• факт метрологической аттестации специальных СИ в установленном порядке;

    6) рассматривают полноту и определенность  требований к средствам, условиям и процедуре измерений параметров в процессе эксплуатации. Данные проверки осуществляются аналогично тому, как при контроле технических условий. К особенностям методик контроля относятся: в ЭД включены рабочие (непосредственно применяемые) методики; в ЭД, как правило, не допустимы ссылки на документы, не входящие в комплект изделия; ЭД должны предусматривать использование только таких средств для контроля изделия в процессе эксплуатации, которыми оснащены или могут быть оснащены органы, осуществляющие такой контроль; МВИ, результаты, которых фиксируются в формуляре или паспорте, должны содержать показатели точности измерений;