Метрология в машиностроении

Введение

Измирительная техника является неотъемлемой частью материального производства. Без развернутой системы измерений, позволяющей контролировать технологические процессы, оценивать свойства и качество продукции, не может существовать ни одна область техники.

В машиностроении найболее распространены линенйные и угловые измерения, т.е. измерения линейных и угловых геометрических размеров изделий, шероховатости и волнистости поверхностей, отклонений расположения и формы поверхностей. Высокоточные линейные и угловые измерения обеспечивают взаимозаменяемость изделий, высокое качество, надежность и долговечность машин и приборов. Автоматизация и механизация измерений повышают производительность труда.

Важнейшими требованиями, предъявляемыми к техническим измерениям, являются единство и точность измерений.

Единство – такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных еденицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений в машиностроении обеспечивает взаимозаменяемость изделий, например деталей, изготовляемых по одному чертежу.

Точность – качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины.

Наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности называется метрологией.

Основные задачи метрологии в машиностроении – это развитие общей теории измерений в машиностроении, установление физических величин, разработка методов и средств измерений, разработка способов определения точности измерений, установлений эталонов для данной отрасли.

СТАНДАРТИЗАЦИЯ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ

В МАШИНОСТРОЕНИИ

Развитие общественного производства связано с развитием новой техники и технологии, выпуском все более разнообразных и сложных изделий, материалов и товаров. Стандартизация заключается в рациональном ограничении видов и типов нужной народному хозяйству продукции и способов ее производства в целях механизации и автоматизации труда, улучшения качества продукции, лучшего использования производственных фондов, экономии материальных и трудовых ресурсов, охраны здоровья населения, безопасности труда, развития международного сотрудничества, совершенствования управления производством и т. п. К основным задачам стандартизации машиностроения относятся: 1) установление требований к качеству продукции; 2) определение единой системы показателей качества; 3) установление норм, требований и методов в области проектирования и производства продукции; 4) обеспечение единства и достоверности измерений в стране; 5) установление единых терминов и обозначений в важнейших областях науки, техники и других отраслях народного хозяйства и т. п.

Нормативно-технический документ по стандартизации, устанавливающий комплекс норм, правил и требований к объему стандартизации и обязательный для исполнения, называется стандартом. В зависимости от сферы действия и уровня утверждения стандарты делятся на четыре категории: государственные (ГОСТ); отраслевые (ОСТ); республиканские (РСТ); предприятий (СТП). Применяются также стандарты единые для нескольких стран, например стандарты СЭВ. Объектами стандартизации являются: 1) материальные предметы (продукция); 2) нормы, правила и требования организационно-методические и общетехнические, связанные с созданием и потреблением продукции; 3) термины, определения и обозначения.

Стандарты на продукцию в зависимости от содержания (назначения) подразделяются на виды: устанавливаются стандарты технических условий, технических требований, параметров, размеров, типов, конструкции, марок, сортамента, эксплуатации и ремонта, типовых технологических процессов и т. д. Стандарты технических условий устанавливают эксплуатационные (потребительские) характеристики, правила приемки, методы контроля качества, требования к маркировке, упаковке, транспортированию и хранению, комплектность и гарантии изготовителя. Стандарты технических требований включают требования к качеству, надежности, внешнему виду продукции и т. п. Примеры стандартов: 1) ГОСТ 10905—75. Плиты поверочные и разметочные. Технические требования; 2) ГОСТ 8.162—75. Головки измерительные пружинно-оптические. Оптикаторы. Методы и средства поверки; 3) ГОСТ 16263—70. Метрология. Термины и определения. Несоблюдение стандартов преследуется по закону: ответственность несут министерства и ведомства, а также предприятия и организации.

СТАНДАРТИЗАЦИЯ И КАЧЕСТВО ПРОДУКЦИИ

Одной из главных задач стандартизации является повышение качества продукции. Стандартами установлены номенклатура показателей качества и методы их определения, методы оценки качества и организации управления качеством. Совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением, называется качеством продукции. Количественная характеристика одного или нескольких свойств продукции, составляющих ее качество, рассматриваемая применительно к определенным условиям ее создания и эксплуатации или потребления, является показателем качества. Единичный показатель качества характеризует одно из свойств продукции, комплексный показатель — несколько свойств. Определяющий показатель качества — комплексный показатель, по которому принимается решение об оценке качества. Уровень качества — относительная характеристика качества продукции, основанная на сравнении значений показателей качества оцениваемой продукции с базовыми значениями показателей.

Показатели качества продукции группируются по характеризуемым ими свойствам. Показатели назначения устанавливают область применения и основные параметры изделий, например, мощность и угловую скорость двигателей, производительность машин и аппаратов, цену деления и диапазон показаний приборов. Одним из основных требований к продукции машиностроения является надежность — свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя во времени установленные эксплуатационные показатели в требуемых пределах. Показатели надежности включают показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости. Показатели безотказности — вероятность безотказной работы, средняя наработка до отказа и др. — показывают свойство изделий сохранять работоспособность в течение определенного времени или до заданной наработки. Показатели долговечности — средний ресурс, средний срок службы и другие характеризуют свойства продукции сохранять работоспособность до наступления предельных состояний, установленных системой технического обслуживания и ремонта. Показатели ремонтопригодности и сохраняемости определяют способности изделий восстанавливать свои свойства при ремонте и сохранять их при хранении без эксплуатации. Качество продукции характеризуют также следующими группами показателей — эргономическими, технологическими, эстетическими, стандартизации и унификации, патентно-правовыми, экологическими, безопасности.

Показатели качества определяют несколькими методами. Измерительный метод осуществляется с помощью технических средств измерения. Регистрационный метод заключается в наблюдении и подсчете числа определенных событий, предметов и затрат. Расчетный метод основан на использовании теоретических и эмпирических зависимостей показателей качества от параметров продукции. Органолептический метод заключается в анализе восприятия продукции органами чувств. Экспертный метод осуществляется на основе решения, принимаемого экспертами. Социологический метод основан на сборе и анализе мнений фактических или возможных потребителей продукции.

Оценка уровня качества продукции дает возможность определить годную продукцию, дефектные изделия и брак, а также установить сорт и категорию качества продукции. При дифференцированном методе опенки ка чества используются единичные показатели, при комплексном методе — комплексные показатели, при смешанном методе — единичные и комплексные показатели.

Статистический метод оценки качества продукции заключается в использовании правил математической статистики при определении показателей качества. Этот метод позволяет оценивать качество изделий по результатам контроля части изделий из изготовленной партии. Согласно теореме Чебышева при достаточно большом числе независимых опытов среднее арифметическое показателей, определенных из этих опытов, равно (близко) среднему арифметическому всей партии.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ РАЗМЕРОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Механизация производства — замена ручных средств труда машинами и механизмами, работающими от различных источников энергии — электрической, гидравлической, пневматической. Частичная механизация охватывает наиболее трудоемкие производственные операции при сохранении значительной доли ручного труда, особенно на вспомогательных разгрузочно-погру-зочных и транспортных операциях. Например, обработка деталей на станках с ручной подачей инструмента — резание, сверление.

При комплексной механизации машины и механизмы применяются на всех основных технологических операциях и вспомогательных работах, кроме отдельных нетрудоемких операций: человек контролирует и управляет производством. В машиностроении к техническим средствам механизации относятся станки для различных видов механической обработки, оборудование для сварки, термообработки, литья, окраски изделий и т. п. Для механизации вспомогательных работ применяются конвейеры, транспортеры, подъемные устройства, пневмотранспорт и т. п. Для комплексной механизации процессов механической обработки в массовом производстве предназначены агрегатные и специализированные станки, станки-автоматы и полуавтоматы, станки с числовым программным управлением, поточные линии. Для механизации измерений используются универсальные приспособления для приемочного контроля, различные при-. боры и устройства.

Автоматизация производства заключается в передаче управления производством и контроля за ним приборам и автоматическим устройствам. Частичную автоматизацию применяют на отдельных технологических операциях для полного освобождения человека от тяжелой, профессионально вредной, монотонной или недоступной ввиду сложности и быстротечности работы. Комплексная автоматизация — создание из технологического и вспомогательного оборудования ' автоматических линий, участков, цехов и заводов, работающих как единый комплекс. Функции человека при этом ограничиваются техническим обслуживанием и общим управлением работой комплекса. Полная автоматизация — высшая ступень автоматизации, при которой все функции контроля и управления производством выполняются автоматическими системами управления (АСУ).

Автоматизация основной части машиностроительного производства оставляет человеку выполнение лишь несложных, но однообразных и утомительных вспомогательных ручных операций типа подать, закрепить, снять деталь и др. Промышленный робот — стационарная или передвижная автоматическая машина для выполнения двигательных и управляющих функций, аналогичных функциям человека, при перемещении предметов производства и технологической оснастки. В общем случае робот состоит из исполнительного устройства — манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и перепрограммируемого устройства программного управления — автоматического, дистанционного или ручного.

КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

При автоматическом контроле функции оператора выполняются механизмом измерительного прибора. Средства автоматического контроля в машиностроении по способу связи и воздействию на производственный процесс делятся на следующие группы: 1) средства активного (технологического) контроля, предназначенные для измерения деталей и соответствующей корректировки технологического процесса; 2) средства пассивного (приемочного) контроля для измерения и сортировки готовых деталей; автоматических изменений в работе технологического оборудования не происходит; 3) универсальные приспособления для технологического и приемочного контроля; 4) координатно-измерительные машины для измерения деталей сложной формы, обработки результатов измерений и выдачи информации.

Средства контроля по степени автоматизации подразделяются на следующие виды: 1) визуальные приборы со стрелочным или цифровым отсчетом; 2) механизированные приборы со световой или звуковой сигнализацией; 3) приборы с автоматической обработкой результатов измерения; 4) полуавтоматы; 5) автоматы; 6) измерительно-контрольные системы и комплексы.

Основными элементами средств автоматического контроля являются датчики (измерительные преобразователи) и усилительные, загрузочные, транспортирующие, запоминающие и исполнительные устройства. В зависимости от типа автоматического контроля эти устройства могут входить в конструкцию приборов в различных сочетаниях.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ

Измерительные датчики воспринимают изменение измеряемого параметра и вырабатывают сигнал измерительной информации в форме, удобной для передачи и дальнейшего преобразования. По принципу действия датчики линейных и угловых измерений, используемые в машиностроении, делятся на электроконтактные, индуктивные, пневматические, емкостные, фотоэлектрические, механотронные, пневмоэлектроконтактные, радиоизотопные, пьезоэлектрические, гальваномагнитные и др.

Электроконтактные

Принцип действия электроконтактных датчиков заключается в изменении электрического сопротивления в измерительной цепи при замыкании контактов датчика. По методу контроля они делятся на предельные датчики, предназначенные для контроля наибольших и наименьших размеров изделий, и амплитудные датчики, предназначенные для контроля отклонения от формы цилиндрических изделий и взаимного расположения поверхностей, например, овальности, биения, огранки и т. п. По конструкции различают датчики рычажные и безрычажные, с регулируемыми и нерегулируемыми контактами, а по количеству измеряемых размеров — одно- и многопредельные.

В электроконтактном двухпредельном датчике с рычажным механизмом в бронзовых направляющих втулках (рис.а) 3 перемещается шток 2, на который навернут измерительный наконечник 1. Хомутик 5 с регулируемым пазом ходит вдоль штифта 4 и предохраняет шток от поворота. На штоке закреплен хомутик 7 с твердосплавной пяткой 8. Измерительное усилие создается пружиной 6. В корпусе крепится измерительная головка 9 типа 1МИГ или 1ИГ, которая используется при установке датчика на нуль. На корпусе также закреплены пружинный крест 14 и винты 12 с микрометрическими головками 13. На кресте 14 установлен рычаг 15 с подвижными вольфрамовыми контактами 11, а в винтах 12 запрессованы неподвижные контакты 16. Через твердосплавную пятку 8, которая упирается в корундовый штифт 10, запрессованный в рычаг 15, шток при перемещении вызывает угловое отклонение рычага 15 и замыкание или размыкание контактов, которые соединены с источником электрического тока и усилителем электрического импульса.

Для установки датчика (рис.б) на нуль наконечник 1 помещают на меру или образцовое изделие. Микрогайкой 2 перемещают шток 3, который упирается в торец измерительной головки 5, закрепленной в отверстии корпуса 4, имеющего форму скобы. Для настройки контактов датчика на предельные размеры изделия используют микрометры б, регулирующие расстояние между неподвижными контактами.

При замыкании контактов датчика в процессе измерений электрический сигнал поступает к исполнительному механизму.

Для усиления, запоминания и размножения сигналов от предельных и амплитудных датчиков применяются электронные усилители реле, которые включают исполнительный механизм, например световую или звуковую сигнализацию.

Индуктивные

Принцип действия индуктивных датчиков заключается в изменении индуктивного сопротивления катушки, намотанной на магнитопровод , при перемещении якоря , который связан с измерительным стержнем . В большинстве случаев детали преобразователя расположены в корпусе , который защищает от внешних помех. Датчики для измерений дифференциальным методом имеют две катушки: при увеличении индуктивности одной катушки индуктивность второй катушки уменьшается, что повышает чувствительность прибора. Датчики работают совместно с электронным блоком с отсчетным устройством. При индуктивном методе измерений отклонения якоря приводят к разбалансу электрического моста, образованного катушками, получающего питание от стабилизированного генератора звуковой частоты. В результате в диагонали моста возникает ток, направление которого определяется направлением перемещения измерительного стержня из среднего положения. Отсчетный прибор показывает значение отклонений размера.

Емкостные

В емкостных датчиках линейные или угловые перемещения преобразуются в изменения емкости электрической цепи: датчик является электрическим конденсатором с переменной емкостью. Изменение емкости может происходить за счет изменения зазора между неподвижной обкладкой и подвижной обкладкой , связанной с измерительным стержнем , или за счет изменения площади перекрытия обкладок. Датчики могут иметь плоские и цилиндрические поверхности обкладок.

Фотоэлектрические

В фотоэлектрических датчиках в качестве чувствительных органов используются фотоэлементы. Конструкции этих датчиков разнообразны. Практическое применение в средствах автоматического контроля получили преобразователи, фиксирующие наличие или отсутствие светового излучения, т. е. фотореле.

КООРДИНАТНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И МАШИНЫ

Для контроля изделий сложной конфигурации с большим числом измеряемых размеров применяются координатно-измерительные приборы и машины с ручным управлением и автоматической обработкой результатов измерений, а также с полностью автоматизированным процессом измерений. Универсальные координатно-измерительные приборы УИМ-29 и ДИП, созданные на базе универсальных микроскопов, имеют ручное управление и выполняют плоские измерения по двум координатам, а результаты измерений фиксируются цифропечатающим прибором.

Координатно-измерительная машина работает в автоматическом режиме и обеспечивает пространственное движение щупа с датчиками по трем осям координат X, Y и Z . На массивном основании / расположен измерительный стол 2, вдоль которого по направляющей 12 перемещается арка 10. Вдоль перекладины 5 арки движется каретка 8 с пинолью 7, в которой устанавливается измерительный преобразователь 4 с многоточечным щупом 3 в большинстве случаев используются индуктивные преобразователи. Результат измерений складывается из значений перемещений арки, каретки и пиноли, а также из отклонений шупа от нулевого положения по соответствующей координате. Значения измеряемого размера фиксируются по каждой координате на цифровом табло //, а также на цифропечатающем устройстве 15. Схема перемещений каретки задается через программирующее устройство 14. Настройку КИМ выполняют вручную с помощью микрометрических винтов 6, 9 и 13, перемещающих пиноль, каретку и стол вдоль координатных осей X, Y. Z. Некоторые модели КИМ обеспечивают измерения в шести координатах: например, измеряются перемещения датчика вдоль осей X, Y и Z, а также поворот датчика вокруг горизонтальных осей X и Y и поворот детали вокруг вертикальной оси Z.

Прогресс в автоматизации производства в настоящее время неразрывно связан с внедрением микроэлектроники. К достижениям микроэлектроники относится создание управляющих и вычислительных микропроцессоров, которые имеют миниатюрные размеры, высокую надежность и незначительный расход энергии. Это позволяет внедрять их на всех стадиях производственного процесса.

Одним из основных направлений применения средств вычислительной техники в производстве является создание автоматической системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). В машиностроении основной областью применения микропроцессоров и микро-ЭВМ являются станки с числовым программным управлением (ЧПУ), робототехника и измерительная техника, где в настоящее время ведутся работы по замене электронных приборов микропроцессорами. Например, ЭВМ применяются в КИМ для проведения измерений в соответствии с заданной программой, для обработки результатов измерений и выработки измерительной информации. Цифровая индикация результатов измерений повышает точность и производительность измерений и облегчает труд контролера.