Технические измерения и приборы. 2

     К числу наиболее важных и актуальных задач машиностроения относится  повышение качества выпускаемой  продукции.

     Надежность  любой машины, функционирование её узлов в расчетном режиме, а  значит и ресурс в определяющей степени  зависят от геометрической точности изготовления деталей по сопрягаемым поверхностям. Повышение требований к качеству машин влечет за собой ужесточение допусков. Одновременно повышается и доля трудоемкости операций контроля в технологическом процессе изготовления деталей и изделий, совершенствуются измерительные средства. Как правило, одну метрологическую задачу можно решить с помощью различных измерительных средств, которые имеют не только разную стоимость, но и различные точность и другие метрологические показатели, а следовательно дают неодинаковые результаты. Точность средств контроля имеет первостепенное значение. Обычно точность средства контроля назначают на порядок выше точности контролируемого параметра изделия.

     Таким образом, увеличение точности средств  изготовления изделий неизбежно приводит к необходимости опережающего создания средств измерения со значительно большей точностью контроля.

Системы автоматического  контроля

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью средств измерений.

Средство  измерений (СИ) – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики.

Метрологические характеристики – параметры средств измерений, влияющие на результаты и погрешности измерений, - номинальное значение меры, действительное значение меры, отсчет, показания, диапазон измерений, предел измерений, чувствительность, нормальные условия применения.

Погрешность измерения – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Контроль – проверка соответствия объекта установленным техническим требованиям. Проверка соответствия заканчивается принятием решения: «Соответствует норме – не соответствует норме», «изделие годное – изделие бракованное».

Средства  измерений (СИ) классифицируются на меры, измерительные приборы, измерительные  преобразователи, измерительные установки, измерительные системы.

Мера – СИ, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Физическая  величина – свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Физическая величина, которая выбрана для измерения, называется измеряемой величиной.

Измерительный преобразователь – СИ, осуществляющее преобразование одной физической величины в другую и предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительный прибор – СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем с помощью отсчетного устройства.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных СИ и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, расположенная в одном месте.

Измерительная система – совокупность СИ, соединенных между собой каналами вязи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления.

Датчик – конструктивная совокупность одного или нескольких измерительных преобразователей и сопутствующих им конструктивных элементов, размещаемая непосредственно на объекте измерения и под воздействием измеряемой величины выдает сигнал, являющийся однозначной функцией измеряемой величины.

Эталон – средство измерений наивысшей точности, обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы измерений.

Измерительный канал – совокупность технических средств и линии дистанционной передачи между датчиком, измерительным устройством и устройством отображения информации.

Устройства  отображения информации – это шкалы, индикаторы, мониторы, графопостроители.

     По  степени автоматизации контроль может быть ручным, автоматизированным и автоматическим в зависимости  от времени, затрачиваемого на ручные операции. Ручной контроль характеризуется  отношением , автоматизированный , автоматический , где – время, затрачиваемое на ручные операции, – общее время контроля.

     Любой контроль основан на измерении. Системы  автоматического контроля являются важнейшей частью системы управления качеством на машиностроительном заводе.

     Затраты на контроль в некоторых отраслях превышают 50% от себестоимости продукции. В металлообрабатывающей промышленности они составляют 8-15% затрат производства. Например, при изготовлении поршневого авиационного двигателя выполняют 120 тыс. операций, из которых 50 тыс. операций – контрольно-измерительные.

     Контроль  должен охватывать весь технологический  процесс для предупреждения пропуска дефектных объектов контроля (заготовок, деталей и сборочных единиц). Кроме того, контроль должен предусматривать получение информации для регулирования технологического процесса. Контроль технологического процесса предусматривает проверку соответствия режимов и других показателей технологического процесса установленным требованиям.

     В зависимости от результатов воздействия  на технологический процесс методы контроля разделяют на активные и  пассивные. При активном методе контроля объектов результаты контроля используют для управления процессом изготовления, вызывая изменение его параметров и оказывая влияние на качество выпускаемой продукции. При пассивном методе проводят контроль параметров контролируемого объекта, но полученные результаты не используют для управления процессом изготовления.

     Автоматический контроль – это контроль изделия и (или) технологического процесса, при котором управление процессом осуществляется без непосредственного участия человека. Контроль может осуществляться путем оценки каждого в отдельности элемента контролируемого объекта (элементный контроль) или одновременной оценки комплекса элементов, определяющих его качество (комплексный контроль).

     Пассивная система автоматического контроля (САК) осуществляется без участия  оператора, все операции автоматизированы.

     В зависимости от назначения различают следующие пассивные САК: разбраковочные, осуществляющие разбраковку изделий на годные и по видам брака; сортировочные, производящие рассортировку изделий на группы по величине контролируемого параметра (например, по селективной сборке); комплектующие, целью которых является комплектование узлов в зависимости от действительных значений контролируемых величин деталей, входящих в собираемый узел. В зависимости от числа измерительных позиций их подразделяют на однопозиционные и многопозиционные.

     Автоматический  контроль устанавливает соответствие между состоянием объекта контроля и заданной нормой. Автоматический контроль освобождает человека от утомительных рутинных операций. При автоматическом контроле отклонения за пределы установленной нормы вызывают предупредительный, аварийный или другие сигналы.

     Система автоматического контроля (САК) –  это комплекс устройств, осуществляющих автоматический контроль одной или  нескольких измеряемых величин, требующие  значительной обработки измерительной информации для суждения об отклонении от установленной нормы и принятия решения: «соответствует норме – не соответствует норме».

     В подавляющем большинстве случаев  САК совмещают функции контроля и измерения являются контрольно-измерительными, т.е. осуществляют также процесс измерения с формированием результата в виде численного значения измеряемой величины.

     Пассивные системы автоматического  контроля

     Пассивные САК предназначены для высокопроизводительного  контроля качества изделий на различных  стадиях изготовления. Область их применения огранивается высококачественным приемочным контролем и сортировкой изделий на размерные группы. Применение пассивных САК резко снижает количество работников, осуществляющих технологический контроль на производстве. Однако результаты контроля не используются для непосредственного воздействия на технологический процесс.

     В зависимости от назначения они подразделяются на разбраковочные, выделяющие из продукции  бракованные изделия, сортировочные, подразделяющие объекты по группам, например для селективной сборки, и комплектующие, т.е. подбирающие для сборочных единиц соответствующие им по значениям контролируемых параметров комплектующие изделия.

     В зависимости от назначения системы  структурная схема может изменяться, однако наиболее типичной структурной схемой является схема, приведенная рисунке 2.1. 

Рис. 2.1. Структурная схема  пассивной САК 

     Устройства  загрузки пассивных САК служат для  создания запаса контролируемых деталей  и их ориентации в пространстве и  времени. В процессе контроля до 90% времени приходится на транспортно-загрузочные операции. Структурная схема устройства загрузки представлена на рисунке 2.2. 

Рис. 2.2. Структурная схема  загрузочного устройства контрольно-сортировочного автомата 

     Контролируемые  детали в достаточном для бесперебойной работы автомата количестве помещают в бункер (обычно в беспорядке, «навалом»), который производит их первичную ориентацию и выдает в определенной последовательности. В зависимости от конфигурации контролируемых деталей может потребоваться их дополнительная пространственная ориентация, что осуществляется ориентирующим устройством, которое может быть и частью бункера. Ориентированные в пространстве детали по лотку попадают в магазин-накопитель, откуда через определенные промежутки времени выдаются механизмом поштучной выдачи на транспортирующее устройство автомата или непосредственно на его измерительное устройство (в зависимости от конструкции автомата). Таким образом, механизм поштучной выдачи деталей является устройством, ориентирующим детали во времени. Необходимые перемещения подвижных элементов загрузочного устройства осуществляются приводом. Следует отметить, что названные элементы загрузочного устройства не всегда можно выделить в «чистом» виде при рассмотрении конкретного автомата. Некоторые элементы могут отсутствовать, либо один конструктивный элемент может выполнять несколько функций. Так, часто лоток выполняет одновременно и функции магазина. Необходимость магазина в составе загрузочного устройства объясняется тем, что производительность бункера из-за его конструктивных особенностей колеблется во времени и для компенсации этого колебания приходится накапливать некоторый запас ориентированных деталей в магазине.

     Магазинное  загрузочное устройство полуавтомата для контроля и сортировки цилиндрических роликов по диаметру изображено на рисунке 2.3. Магазин выполнен в виде наклонного лотка 5, куда вручную загружают ролики 2. Под действием собственного веса ролики скатываются на базирующую призму 6. Направляющая планка 3 служит для предотвращения заклинивания роликов. С помощью толкателя 1, приводимого в движение кулачком 7, ролик подается на измерительное устройство с датчиком 4. 

     Рис. 2.3. Устройство загрузки 

     Устройства  транспортировки предназначены  для перемещения изделия внутри автоматизированной системы от устройства загрузки к измерительному устройству, на измерительной позиции, от измерительного устройства к исполнительному устройству. Схема устройства транспортировки представлена на рисунке 2.4. 

Рис. 2.4. Схема устройства транспортировки с прямолинейным перемещением детали 

     От  кулачка 6, закрепленного на распределительном  валу, через рычаг 8 возвратно-поступательное движение передается толкателю 1. При  совпадении отверстия питателя 3 с  окном толкателя (в крайнем его  положении) контролируемая деталь западает в толкатель и под действием пружины 7 перемещается на измерительную позицию (заслонка 9 находится в горизонтальном положении). Целесообразно выполнять кулачковые приводы таким образом, чтобы рабочее перемещение толкателя производилось под действием пружины, а возврат на позицию западания – под действием кулачка. Переместив деталь к датчику 2, рычаг с толкателем останавливается на регулируемом упоре 4, и кулачок при последующем движении отрывается от ролика 5 и рычага 8. Поэтому при измерении вибрации от привода не передаются на толкатель 1. При ходе толкателя 1 назад заслонка 9 находится в вертикальном положении и измеренная деталь проваливается вниз.

     На  рисунке 2.5 показана схема автоматизированной системы контроля зубчатых колес. 

Рис. 2.5. Схема для комплексной  двухпрофильной проверки зубчатых колес 

     Неподвижная каретка 3, изменением положения которой  регулируется межцентровое расстояние, несет на себе приводной шпиндель, на котором устанавливается контролируемое колесо 4. Образцовое колесо 5 (мера) установлено на подвижной каретке 1. Плотное зацепление колес 4 и 5 обеспечивается пружиной 2. Измерение межцентрового расстояния между колесами 4 и 5, колебания межцентрового расстояния за оборот, колебания межцентрового расстояния на одном зубе производят при вращении колес с помощью датчиков 6, 7, 8, 9. Сигналы с датчиков обрабатываются в электронном блоке, и результаты контроля отбрасываются на табло. Колеса 4 и 5 устанавливаются и снимаются вручную. Сортировка проконтролированных колец производится вручную на основании показаний табло.

Схема на рисунке 2.5 относится к автоматизированным системам, т.к. , где – время, затрачиваемое на ручные операции, – общее время контроля. На рисунке 2.6 показана схема автоматического контроля поршневых колец по радиальной толщине.

Рис. 2.6. Схема устройства автоматического  контроля и сортировки поршневых колец 

     1 – электродвигатель; 2 – червячный  редуктор; 3 – кулиса; 4 – арретир; 5 – каретка с толкателями; 6 – загрузочный бункер; 7 – датчик; 8 – стяжная пружина; 9 – полукольца обоймы; 10 – контролируемое колесо; 11 – кулачки; 12 – сортирующий желоб; 13 – приемные желобы; 14 – электромагнит; 15 – конические передачи; 16 – шестерня; 17 – шестерня; 18 – поводок. 

     Поршневые кольца укладываются в загрузочный  бункер 6 в определенном положении, ориентированном по замку. Под бункером поступательно-возвратно передвигается  каретка 5, которая своими толкателями  поочередно захватывает из бункера кольца и подает их на измерительное устройство к датчику 7.

      Поступательно-возвратное движение каретки 5 осуществляется кулисным механизмом 3, который приводится в  движение с помощью электродвигателя переменного тока 1, червячного редуктора 2 и ременных передач.

      Через зубчатые пары, цилиндрическую, а затем 2 конических, приводятся в движение валики, снабженные кулачками 11. После  того, как очередное кольцо поступает  на измерительную позицию, нижние кулачки  освобождают арретиры 4, которые поднимают кольцо 10 и вводят его в два полукольца обоймы 9. Затем верхние кулачки освобождают полукольца обоймы, которые под действием стяжной пружины 8 сжимают контролируемое кольцо до исчезновения зазора в замке. После установки кольца в этом положении включается датчик 7. при этом, если зазор не соответствует заданному допуску, сработает магнит 14, управляющий сортирующим желобом 13.

      После окончания контроля и блокировки его сигналов, верхние кулачки  освобождают полукольца обоймы, после  чего нижние кулачки опускают кольцо на направляющие. Следующее кольцо, поступающее на измерительную позицию, вытолкнет проверенное на сортирующий желоб, а затем в соответствующий приемный желоб.

     Схема на рисунке 2.6 относится к автоматическим системам, т.к. , где – время, затрачиваемое на ручные операции, – общее время контроля.

     Измерительное устройство выдает сигнал измерительной  информации о значении контролируемого  параметра изделия. Измерительное устройство может содержать механизмы установки и съема изделия с измерительной позиции, базирующие и закрепляющие механизмы, арретирующие механизмы для предотвращения поломки наконечников при установке и съеме изделия, передаточные механизмы от изделия к датчику, датчики и другие механизмы.

     Пример  построения измерительного устройства для контроля высоты торцов подшипникового кольца показан на рисунке 2.7. Измеряемая величина соответствует расстоянию от базового пояска столика 8 высокоточного шпинделя 14 до верхнего торца измеряемого кольца 7. Корпус датчика 2 подвешен на рамке 1, а его измерительный наконечник связан с поверхностью детали через промежуточный шток 3 передаточного механизма. С правой стороны показана схема устройства для контроля непараллельности торцов кольца, которое приводится во вращение высокоточным шпинделем 14. Этот контроль осуществляется с помощью датчика 5, расположенного на рамке 6 с осью 4. 

Рис. 2.7. Схема измерительного устройства для контроля длин 

     Кольцо 7 попадает из транспортирующего устройства на шпиндель, находящийся в нижнем положении. Затем шпиндель перемещается вверх и базируется на неподвижном  центре 9 посредством шаровой опоры 15. Другая шаровая опора 11 шпинделя расположена на подъемнике, перемещающемся от кулачка распределительного вала по высокоточным роликовым направляющим 12. Для исключения влияния биения вращение на шпиндель передается от зубчатого пояска 10 через поводок 13.

     Измерительная информация с датчиков поступает  на вычислительное устройство для обработки, запоминания, отображения и формирования управляющих воздействий. Схема  вычислительного устройства представлена на рисунке 2.8. 

Рис. 2.8. Схема вычислительного устройства на базе микроконтроллера 

     Информация  с датчиков поступает в блок измерительных  преобразователей для масштабирования, преобразования мощности, линеаризации, фильтрации, т.е. для преобразования в приемлемую для дальнейшей обработки  форму. С помощью временного мультиплексирования ввод информации в микроконтроллер осуществляется с помощью одного быстродействующего АЦП от нескольких датчиков d1..dn. К АЦП подключены источник опорного напряжения ИОН и генератор G, задающий время преобразования. Микроконтроллер осуществляет управление мультиплексором, переключая на вход АЦП сигнал от обрабатываемого датчика, а также поддерживает интерфейс связи с АЦП. ИОН определяет допустимый диапазон входного напряжения и влияет на шумовые характеристики преобразования. Для реализации малошумящих АЦП рекомендуется использовать высокоточные внешние ИОН, даже при наличии встроенного в АЦП источника опорного напряжения.

     Микроконтроллер устанавливает соответствие сигналов с датчиков заданным нормам, формирует  управляющие сигналы и представляет информацию в удобном для оператора виде.

     Вывод информации из микроконтроллера осуществляется с помощью средств ввода/вывода УВВ: клавиатура, светодиодные индикаторы, линейные дисплеи (ТО). Для управления исполнительными устройствами САК используются ЦАП. Обычно исполнительные устройства (ИУ) потребляют большой ток и требуют высокого напряжения. Поэтому используются усилитель, выход которого подключается к ИУ, выполненному, например, в виде электромагнита с заслонкой.

     Процесс контроля детали на измерительной позиции складывается из ряда операций, выполняемых соответствующими устройствами и механизмами: установки детали на измерительную позицию; закрепления детали на измерительной позиции для её надежного базирования в процессе контроля; разарретирования чувствительных элементов датчика контролируемого параметра; измерения детали измерительным устройством; перемещения детали в случае необходимости на измерительной позиции в процессе контроля (например, при контроле формы детали или состояния ее поверхности и т.д.); выдачи измерительным устройством команды о результатах контроля на исполнительное устройство; арретирования чувствительного элемента датчика контролируемого параметра; освобождения закрепленной детали; съема детали с измерительной позиции. Последовательность состояний устройств измерительной позиции и переходов между ними может быть представлена в виде циклограммы, показанной на рисунке 2.9. 

Рис. 2.9. Циклограмма измерительной  позиции устройства автоматического  контроля 

     В соответствии с циклограммой суммарное  время нахождения изделия на измерительной  позиции равно:

      Производительность  измерительной позиции равна: , где N – число одновременно контролируемых изделий. Составляющие времени t_и определяют расчетным путем или по аналогам. Наибольшую сложность представляет определение времени контроля: , где t_ср – время срабатывания как время переходного процесса установления выходной величины при скачкообразном изменении измеряемой величины.

     Выходная  величина считается установившейся, если она отличается от статического значения выходной величины, соответствующей  данному значению измеряемой величины, не более чем на допускаемую погрешность  измерения.

     Параметр  «время срабатывания» применим для  характеристики быстродействия измерительного узла в том случае, когда контроль осуществляется после разарретирования чувствительных элементов датчика  контролируемого параметра и  когда входной сигнал датчика  изменяется достаточно быстро. Однако при контроле движущихся изделий (например, при контроле формы деталей или их качества термообработки по длине) входной сигнал измерительного устройства представляет собой функцию, близкую к периодической. При этом быстродействие измерительного узла целесообразно характеризировать максимальной допустимой частотой изменения измеряемого параметра, при которой погрешность измерения не превосходит допустимой.

     Из  теории автоматического регулирования  измерительный узел может быть представлен в виде инерционного (характеристика 1 на рисунке 2.10) и колебательного (характеристика 2 на рисунке 2.10)

Рис.2.10. Время срабатывания измерительного устройства 

В первом случае передаточная функция 

,

во втором

где k=Y/X – статический коэффициент преобразования измерительного узла; Т – постоянная времени инерционного звена; Т₁, Т2 – постоянные времени колебательного звена; р – комплексная переменная;

где ω – собственная частота незатухающих колебаний звена; – постоянная затухания звена (степень успокоения).

     Установив расчетным или экспериментальным  путем для измерительного узла контрольно-сортировочного автомата параметры T, Т_1, Т₂ или ω, ξ, α можно определить время t_ср переходного процесса измерительного узла.

     С этой целью можно воспользоваться  зависимостью

     Первая  зависимость относится к инерционному, вторая – к колебательному звену. Меньшие величины t_ср принимаются для допустимой погрешности выходной величины Y менее 5%, большие – для погрешности менее 1%.

     В том случае, когда в процессе контроля измеряемая величина носит характер периодической функции времени, необходимо ограничить частоту изменения  параметра путем, например, ограничения скорости перемещения изделия на измерительной позиции: