5.7 Кругломеры

Важным фактором, определяющим взаимозаменяемость деталей, наряду с  точностью размеров является точность геометрической формы поверхностей и их профилей.

Основными причинами, обуславливающими возникновение отклонений формы поверхностей при обработке деталей на металлорежущих станках, являются неточности и деформации станка, приспособления,    режущих инструментов и заготовок, неравномерность припуска и другие причины.

Отклонения формы оказывают влияние на характер соединений деталей машин,  износ их поверхностей в процессе эксплуатации, а также на условия сборки и объем пригоночных работ.

Нормирование и измерение отклонений формы цилиндрических поверхностей.

Большинство сопряжений деталей машин являются цилиндрическими (70% деталей). Отклонение формы цилиндрических поверхностей – круглость, цилиндричность и профиль продольного сечения. Понятие  круглости относится к любым телам вращения.

 Рис. 5. 7.1   Отклонение от цилиндричности

            а – отверстий; б – валов; М – точки реальной поверхности, наиболее удаленные от  реальной поверхности.

К образующим цилиндрической детали может быть предъявлено требование прямолинейности, а для торцевых поверхностей этих    деталей – требование плоскостности,    но    указанные три вида  отклонений относятся непосредственно к   цилиндрической форме.

Обобщающим      показателем для цилиндрической   поверхности является отклонение   oт цилиндричности.

Отклонением от цилиндричности (рис. 5.7.1) называется наибольшее отклонение от   реальной поверхности до прилегающего цилиндра  (поверхности)   в пределах  нормируемого участка. Прилегающая поверхность имеет форму номинальной (идеальной) поверхности, соприкасается с реальной поверхностью и расположена вне материала детали так, чтобы отклонение от нее наиболее удаленной точки реальной поверхности находилось в пределах нормируемого участка.

Применительно к цилиндрическим поверхностям базами для отсчета отклонений формы являются прилегающие цилиндры, прилегающие окружности и прилегающие профили продольного сечения.

Цилиндричность – это oбобщеyный (комплексный) показатель. Ранее его нельзя было определить и его заменяли на отклонение от прямолинейности образующей. Но на современных 3D кругломерах с программным обеспечением отклонение от цилиндричности можно определить.

       Два других отклонения формы — круглость и профиль продольного сечения — представляют собой как бы   расчлененные,  комплексные показатели отклонений от цилиндричности и задаются  в сечении цилиндрической детали плоскостью, перпендикулярной оси  (круглость), и плоскостью,  проходящей через ось (профиль).

‘ Отклонением от круглости (рис. 5.7.2) называется наибольшее расстояние от точек реального

Рис. 5.7.2  Отклонение круглости поверхностей

            а – для отверстий; б – для валов

профиля   до прилегающей окружности (определение прилегающей   окружности аналогично определению прилегающего цилиндра) по принципу Тейлора. Для вала это наименьшая описанная окружность   для отверстия – наибольшая вписанная. Это традиционное определение отклонения от круглости.

Однако в современных  метрологических программах (ПО), применяемых на кругломерах и КИМ, могут использовать другие модели расчета.

При многоточечном измерении заменяющий элемент (математическая модель) выбирают так, чтобы он был наилучшим образом согласован с измеренными точками по выбранному методу аппроксимации. Метрология координатных измерений использует чаще всего  три метода аппроксимации, причем каждый их них дает свое значение заменяющего элемента и его положения в пространстве.

 Метод прилегания (рис. 5.7.2) поверхности по принципу Тейлора – заменяющий элемент должен находиться вне материала детали таким образом, чтобы суммарное расстояние  от него до измеряемых точек было минимальнымНа рис. 5.7.3  этому критерию соответствует вписанная окружность для отверстия и описанная для вала

  Среднеквадратичная аппроксимация по Гауссу (рис. 5.7.3) – заменяющий элемент  – это средняя поверхность, у которого  сумма квадратов расстояний до точек, расположенных с одной стороны равна сумме квадратов расстояний до точек, расположенных  с другой стороны.

Поверхность минимальной зоны – максимальные и минимальные замещающие элементы, параллельные друг другу или имеющие общий центр. Все измеренные точки должны находиться между ними и расстояние между максимальным и минимальным замещающими элементами должно быть минимально  возможным.

При измерении поверхностей,  имеющих сложный профиль в современных метрологических ПО применяют сплайновую (кусочную) аппроксимацию.

Из рис. 5.7.3 видно, что при разных критериях аппроксимации одинаковые координаты точек дают разные размеры, то есть разные метрологические ПО дают разные значения размеров (или отклонений размеров) при измерении одной и той же детали.

АппроксимацияРис. 5.7.3   Методы аппроксимации многоточечных измерений окружности

Кругломеры

Кругломеры существуют давно, с 60х годов прошлого века. Сначала это были довольно простые приборы, у которых на предметном столе устанавливалась измеряемая деталь, а вокруг нее вращалась индуктивная головка, щуп которой контактировал с измеряемой поверхностью. Принцип измерения на кругломере заключается в том, что вращающаяся часть прибора воспроизводит идеальную окружность,   которая   сравнивается   с   реальной окружностью, измеренной индуктивным преобразователем, в сечении круглого цилиндра плоскостью,   перпендикулярной оси измеряемой детали.

На таких кругломерах измеряли немного параметров – круглость, торцевое и радиальное биение и т.п.

     Современные кругломеры – сложные очень точные КИМ с серьезным метрологическим программным обеспечением.  Это позволяет измерять на кругломерах все отклонения формы цилиндрических деталей и тел вращения неправильной формы (например, поршень двигателя внутреннего сгорания):

– круглость;

Круглость

–  цилиндричность;

Цилиндричность

– радиальное и торцевое биение;

Рад.биение

– прямолинейность;

Прямолинейность

– эксцентриситет;

– перпендикулярность;

Перпендикулярность

– плоскостность торца;

Плоскостность

   – концентричность

Концентричность

Измерение всех параметров – размера, волнистости и шероховатости очень важно для точных деталей и сопряжений.

     Попутно следует отметить, что волнистость это типичные отклонения, которые почти всегда возникают в процессе обработки деталей. Это перио-
дически проявляющиеся неровности, имеющие шаги гораздо большие по сравнению с шероховатостью. Также можно сказать, что причиной появления волнистости является несовершенство обрабатывающего оборудования. Волнистость особенно критична на деталях, которые работают в сопряжении с другими поверхностями.
Шероховатость – это результат воздействия на поверхность режущего инструмента, либо иного процесса обработки. Функциональное назначение детали – скольжение, уплотнение, вращение и т.д., определяет требования к шероховатости поверхности. Последующие технологические операции по обработке детали, такие как покраска, напыление, химическое покрытие, также могут являться факторами, определяющими требования к шероховатости.

Большинство современных кругломеров имеют аналогичную конструкцию и компоновку и состоят из однообразного набора узлов и компонентов (рис. 5.7.4):

– основания;

– колонны;

– шпинделя со столом;

– щуповой головки;

– механизмов горизонтального и вертикального перемещения щуповой головки;

– программного обеспечения;

– компьютера.

Следует указать, что существуют  две компоновки кругломеров – с вращающимся столом и с вращающейся вокруг детали щуповой головкой. Последняя компоновка используется редко для измерения некоторых сложных  деталей. В обоих случаях вращение чрезвычайно точное. Его погрешность составляет до 0,03 мкм.

Большинство кругломеров имеют вращающийся  шпиндель со столом для установки контролируемой детали   (рис. 5.7.4). .

На жестком основании из искусственного гранита или чугуна установлен вращающийся шпиндель со столом и вертикальная гранитная колонна с  горизонтальной скалкой, на конце которой расположена индуктивная головка с измерительным щупом, контактирующим с измеряемой вращающейся поверхностью. Такая конструкция обеспечивает термостабильность и виброустойчивость.

Шпиндель со столом установлен на шариковых (рис. 5.7.4) или аэростатических подшипниках.

Шпиндель на насыпных шарахРис. 5.7.4  Шпиндель на насыпных шарах

Шариковые подшипники выполнены на насыпных шарах. Преимущество шариковых подшипников  большая жесткость, которая обеспечивает стабильное положение измеряемой детали. Шпиндель  на шариковых направляющих не требует питания очищенным сжатым воздухом.

Тем не менее, многие кругломеры имеют шпиндель на аэростатических подшипниках, что обеспечивает очень высокую точность вращения.

На столе установлен магнитный или многокулачковый патрон для крепления измеряемой детали.

кругломер

      Рис. 5.7.5  Кругломер

Стол содержит механизмы для выравнивания (центрирования) измеряемой детали по оси вращения стола и механизм для выравнивания  наклона детали.  Все механизмы могут быть ручными или моторизованными. В последнем случае выравнивание по оси и угла производится автоматически по заданному ПО алгоритму. Стол снабжен круговым  оптоэлектронным энкодером. Скорость вращения стола от 0,2 до 30 об/мин. Выпускаются кругломеры со столдами разного диаметра от 100 мм. Точность вращения стола ±0,02 мкм и меньше

Горизонтальная скалка с индуктивной щуповой головкой на конце может быть установлена на шариковых или аэростатических направляющих. По вертикальной колонне горизонтальная скалка также может перемещаться на шариковых или аэростатических направляющих.

Горизонтальное и вертикальное перемещения могут быть ручными или моторизированными. Оба перемещения отсчитываются с помощью оптоэлектонных линейных энкодеров.

В большинстве кругломеров применяют щуповую индуктивную головку. Головка имеет рычаг, установленный на плоской пружине. На одном конце рычага установлен якорь дифференциального индуктивного преобразователя, на другом измерительный наконечник. Головка имеет диапазон измерения ±1,0 мм и разрешение (чувствительность) 0,03 мкм и меньше. Щуповая головка может быть установлена горизонтально или вертикально для проведения наружных и внутренних измерений и измерений торцевой поверхности. Существуют моторизованные модели, у которых головка может поворачиваться на заданный угол по программе.

Но, конечно, главная особенность современных кругломеров, как и других КИМ,  развитое и изощренное метрологическое программное обеспечение. Именно ПО позволяет получить полный «портрет» измеренной детали с размерами и отклонениями формы во всех поперечных и продольных сечениях, а у некоторых моделей и с профилем поверхности.

Дискретность цифрового отсчета составляет 0,1 и 0,01 мкм.

Предел допускаемой погрешности при измерении круглости составляет 0,025 мкм.

Не существует одной стандартной программы измерения для всех случаев измерения деталей. Для каждой детали разработано или разрабатывается специально свое программное приложение. Существует много приложений для измерения  различных параметров детали  и различных деталей.

Кругломер обладает двумя достоинствами.

Во-первых, кругломер чрезвычайно точный прибор. Он имеет долемикронную (нанометровую) точность. Ни одна КИМ не имеет и не может обеспечить такой точности. Такая высокая точность кругломера объясняется тем, что измерение практически производится в статике при неподвижной щуповой головке а точность индуктивной щуповой головки на два порядка выше точности самого точного датчика касания, которыми оснащены КИМ.

Во-вторых, как уже говорилось выше, в результате измерения с одной установки получают все размеры и отклонения формы детали. Некоторые модели кругломеров позволяют снять при измерении до 18000 точек, что позволяет провести детальный анализ высокоточных деталей.

Можно сказать, что в современном кругломере реализована вековая мечта метрологов – знать все о размерах и отклонениях формы измеренной детали.

 

Круломер с задней бабкой

Для измерения длинных и тяжелых валов, которые неудобно закреплять в патроне стола, выпускают кругломер с задней бабкой (рис. 5.7.6), которые позволяет устанавливать вал в центрах.

кругломер с задней бабкойJPGРис. 5.7.6 Кругломер с задней бабкой

Такая конструкция, снабженная механизмом центрирования  вала, значительно снижает  время центрирования и повышает точность измерения. На таких кругломерах измеряют валы сложной формы – коленчатые,   распределительные валы и др.

   Точность измерений отклонений формы на кругломерах во многом определяется правильным выставлением контролируемой детали на поворотном столе кругломера. Оси вращения стола и детали должны совпадать. При несовпадении их осей возникает погрешность (рис. 5.7.7) эксцентриситета при определении круглости, (погрешность улитки Паскаля). Чтобы избежать этой ошибки деталь надо отцентрировать, т.е. совместить оси детали и поворотного стола. В некоторых кругломерах ПО учитывает эту ошибку при не точном центрировании.

ошибка формы

   Рис. 5.7.7   Влияние эксцентриситета на погрешность измерения круглости

Также наклон оси контролируемой детали относительно оси поворота стола кругломера приводит к элиптической погрешности. Ось детали должна быть выравнена параллельно оси стола.

1    ISO 1101:2012  Геометрические характеристики изделий (GPS). Установление геометрических допусков. Допуски на форму, ориентацию, расположение и биение.

2    ISO 4291:1985.  Методы  определения отклонений от круглости. Измерение  вариаций радиуса.