11.2 Измерение методом обкатывания

Измерение  диаметра детали обкатыванием ее мерным роликом имеет несомненные преимущества. Измерительная оснастка (ролик) обкатного прибора имеет небольшие габаритные размеры, простую конструкцию  и легко устанавливается на станке; с ее помощью возможно измерение диаметров в любой стадии обработки;  результат измерения выдается в цифровой форме на дисплее и поступает  в  ЧПУ станка. Метод обкатывания основан на весьма простом принципе: ролик определенного диаметра прижимается к поверхности вращающегося изделия, установленного на станке, и вращается вместе с ним без скольжения. Диаметр изделия за время измерения определяется выражением

D = m/nd,                                                                 (11.2.1)

где dдиаметр ролика, мм; п — число оборотов изделия за время измерения; mчисло оборотов ролика за это же время.

Таким образом, задача измерения обкатыванием сводится к наиболее точному определению углов поворота ролика и измеряемого изделия за время измерения при условии, что вращение происходит без относительного проскальзывания ролика и детали. Для этого ролик снабжают угловым оптоэлектронным энкодером  отсчитывать малые углы поворота ролика,  и микропроцессоным блоком, позволяющим считать импульсы от энкодера и получать результат измерения диаметра в цифровой форме.

При измерении диаметров деталей методом обкатывания возникают погрешности вследствие неточности изготовления и износа рабочей поверхности ролика, биения его наружной поверхности, упругих деформаций ролика и детали, неточности установки ролика относительно контролируемой поверхности и проскальзывания между роликом и деталью.

Многолетняя эксплуатация приборов с обкатными роликами показывает, что погрешность измерения диаметров 1–3 м составляет примерно ±(0,05–0,2) мм, а диаметров 4–6 м — ±(0,3–0,4) мм.

Конструкция приборов с обкатными роликами позволяет выдавать в систему ЧПУ станка управляющие команды или кодированную информацию о текущем размере детали. Но часто  приборы используют для визуального контроля в процессе или после обработки с последующим внесением коррекции в технологический процесс оператором. Выпускаемые обкатные приборы построены по одинаковой схеме.

Прибор (рис. 11.2.1 и 11.2.2) состоит из измерительного устройства 1, установочного  устройства 2, датчика счета оборотов детали (установленного  в бабке изделия станка) и микропроцессорного блока 3.  Кроме того, на станке имеется подводящее устройство, которое подводит ролик к контролируемой детали для измерения и отводит его в исходное положение.

 11-1d         Рис.  11.1.1    Обкатной прибор

   Для точного измерения очень важно правильное положение прибора относительно измеряемой поверхности. Ролик и измеряемое сечение детали должны находиться в одной плоскости  без перекосов ролика. Это достигается выставлением ролика относительно измеряемой поверхности или  специальной конструкцией устаночного  устройства,  в  которой ролик установлен свободно («плавает») и самоустанавливается относительно вращающейся  измеряемой поверхности в плоскости измерения.

Схема измерительного устройства (ролика) показана на рис. 11.2.2.

11-2dРис. 11.2.2    Схема  прибора

     К поверхности измеряемого вала 9  ролик 8 прижимается с усилием 40 — 50 Н. Такое большое усилие необходимо, чтобы исключить проскальзывание ролика в процессе измерения. Величина усилия зависит от материала контролируемой детали и наличия СОЖ на измеряемой поверхности. Усилие прижима должно быть постоянно во время всех измерений.  Кроме того, измерения желательно проводить при небольшой и постоянной  окружной скорости контролируемой поверхности, например, 30 м/мин,

 11-4dРис. 11.2.3    Схема работы обкатного прибора

Ось ролика 5 жестко связана с осью оптоэлектронного энкодера 6 (рис. 11.2.3    ). При вращении ролика и энкодера в микропроцессорный   блок  7 поступают токовые, напряжения  или прямоугольные импульсы.    В     блоке     осуществляется счет импульсов, и результат измерения диаметра   показывается на цифровом индикаторе. Начало измерения, счет числа оборотов детали начало и конец счета импульсов энкодера выполняются по командам бесконтактного фотоэлектрического  датчика 4. Измерительное устройство с роликом 5 установлено на планке 7 установочного устройства (рис. 11.2.2), которая может покачиваться на оси 6. Прижим ролика  осуществляется при eго подводе механизмом  станка 11. Заданное усилие прижима обеспечивается сжатием пружины 1 до момента замыкания путевого выключателя 4 винтом 5. По команде выключателя 4 ЧПУ станка останавливает подводящий механизм 11. Если выключатель 4 не сработает, механизм 11 останавливается   при замыкании блокировочного включателя 2 винтом 3.  

11-3dРис. 11.2.4    Кострукция измерительного устройства (ролика)

    Измерительное устройство (рис. 11.2.4) состоит из двух узлов: ролика 4 и фотоэлектрического преобразователя угловых перемещений (энкодера), смонтированных в одном корпусе 11. Ролик 4 установлен на оси 2 на точных шарикоподшипниках 3, собранных без люфтов и зазоров. Диаметр ролика 85 мм. Диаметр выбирается из конструктивных соображений. Ролик большого диаметра позволяет контролировать внутренние поверхности пояски, выточки. Но возникают погрешности из-за его биения, отклонений от круглости и неточности аттестации. Ролики специального назначения делают небольшого диаметра. Ролик имеет наружный цилиндрический поясок шириной 3 мм, который прижимается к измеряемой поверхности. Диаметр пояска выполняется с отклонением от круглости не более 0,001 мм и аттестуется с погрешностью не более 0,001 мм. Ось 2 ролика 4 установлена соосно с выходным валом энкодера и соединяется с ним пружинной безлюфтовой муфтой 5, компенсирующей несоосность валов. Для защиты от воды и шлама применены подшипники 3 с защитными уплотнительными шайбами, закрытые лабиринтными уплотнениями. Корпус устройства герметизирован резиновыми кольцами.

В корпусе ролика установлен уровень, позволяющий выставить ось ролика параллельно оси контролируемой детали. Кроме того, на корпусе ролика имеется ступенька, на которую ставят КМД, и по зазору между ней и контролируемой поверхностью обеспечивают прилегание рабочего пояска ролика к контролируемой поверхности.

В измерительном устройстве использован угловой энкодер (раздел 4.3). Энкодер  выдает, например, 10000 импульсов за один оборот ролика, которые поступают в  микропроцессорный блок. В качестве датчика счета оборотов детали 2 использован бесконтактный фотоэлектрический датчик  (рис. 11.2.3) с планками (“флажками»), которые крепят на планшайбе станка. Датчик 4  содержит свето- и фотодиоды. Корпус закреплен неподвижно на шпиндельной бабке станка. Между свето- и фотодиодом периодически проходят флажки 3, закрепленные на вращающейся планшайбе. При прохождении каждого флажка от датчика в микропроцессорный блок 8 выдается один импульс.

Так как детали большого диаметра при обработке вращаются медленно, для повышения производительности в начале цикла измерения на планшайбе станка установлены четыре “флажка” и счет оборотов начинается с первого флажка, проходящего через прорезь датчика оборотов. Дальнейший счет оборотов детали и команда на окончание цикла измерения осуществляется только по этому “флажку”.

Микропроцессорный блок снабжен дисплеем для отображения результатов измерения и служебной информации и клавиатурой для настройки прибора и ввода исходных данных. С клавиатуры вводится  аттестованный диаметр ролика, выбирается режим работы и т.п. Блок  обеспечивает питание обоих фотоэлектрических преобразователей и  принимает измерительную информацию от них в форме токовых, напряжения  или прямоугольных импульсов. Блок производит  счет импульсов, статистическую обработку результатов нескольких измерений  и показывает на  цифровом дисплее абсолютный диаметр измеряемой  детали. Блок может передавать в систему ЧПУ станка кодовую информацию о текущем диаметре детали или об отклонении диаметра от заданного значения.

Использование микропроцессорного блока позволяет кроме измерения диаметра детали дополнительно проводить статистические вычисления и определять параметры процесса обработки. С помощью прибора возможно определение величины припуска, снимаемого с детали. Для этого в микропроцессорный блок, используя клавиатуру, вносят значение диаметра  Dз, который должен быть получен после обработки, и измеряют необработанную деталь. После измерения  цифровой дисплей покажет  величину припуска ΔS на обработку. Кроме того, прибор измеряет окружную скоpocть  v обрабатываемой детали и некоторые  параметры, свидетельствующие об исправности прибора, например число импульсов за один оборот ролика (10 тыс. импульсов). Диаметр измеренной детали вычисляют по формуле (11.2.1)

           D = dn/m.

За один оборот ролика в микропроцессорный блок поступает Р =10000 имп. Общее число импульсов, поступающих за время измерения

            К = пР.

Таким образом, диаметр детали при известном диаметре ролика

        D = mp/ K · d =cd,                                                  (11.2.2)

где  с = K/ тр. По этой же зависимости определяют диаметр ролика (например, изношенного)    измерением   детали   известного    (аттестованного) диаметра D0:

       d = mp/ К· D0   или

d = 1/с · D0                                                                    (11.2.3)  

Припуск на обработку определяют вычитанием заданного диаметра D3 из измеренного D, т.е.

      ΔS  = DD3 = dcD3.                                       (11.2.4)

Принцип работы прибора может быть пояснен с помощью рис. 11.2.3.   При вращении обрабатываемой детали 2 диаметром D вращается ролик 5 диаметром d и стеклянный диск 6 фотоэлектрического преобразователя (энкодера). Счет импульсов начинается после получения двух последовательных команд: команды от датчика прижима 1, свидетельствующей о том, что ролик 5 прижат к детали 2 с  заданным усилием, и команды начала счета импульсов от датчика счета оборотов 4 измеряемой детали. Вторая команда поступает при прохождении одного из «флажков» 3, укрепленных на планшайбе станка,  в прорези фотоэлектрического датчика счета оборотов. Микропроцессор 7  по прохождении «флажка», по которому начат счет, определяет заданное число оборотов детали (например, два), выдает команду на прекращение счета импульсов, поступающих с фотоэлектрического датчика ролика, и пересчитывает импульсы в размер диаметра детали.

Для получения более достоверного результата измерения прибор по программе проводит подряд заданное число измерений в одном сечении детали. За правильный результат измерения, поступающий на цифровую индикацию, принимается значение двух измерений подряд, которые практически одинаковы (отличаются на заранее заданную величину Δ. Величину Δ,  например равную 0,01 мм, вводят с помощью клавиатуры до начала измерения.

В приборах применяют точно аттестованный ролик диаметром 75–85 мм. Однако при необходимости измерения  вблизи торца или буртика детали может быть применен ролик большого диаметра. Перед измерением диаметр  ролика вносится с помощью клавиатуры в память микропроцессорного блока. Таким же образом поступают при  износе ролика и его новой аттестации. Это исключает необходимость вычисления каких-либо поправок.

Если диаметр ролика не известен, он может быть определен путем обкатывания  образцовой детали, диаметр которой точно аттестован. В этом случае  после описанного выше цикла измерения цифровой индикатор показывает диаметр ролика. Конечно, это менее точный метод, чем прямая аттестация ролика. Аттестованный образец используют также для проверки точности прибора.                  

                 Texнические характеристики обкатного прибора

Диапазон измерений, мм    . … ……                 ……………….  50 –19999

Дискретность отсчета, мм,

при диапазоне показаний, мм:

до     999,999  …  .…….                                             …….0,001

до   9999,99……………..                                   …………….  0,010

до 19999,9   …………..                               ,…..  …………….   0,1

Предел допустимой погрешности измерения в зависимости

от диаметра изделия, мм ……….. 0,02+1,5 ·10-5 ·D

Усилие прижима ролика, Н…..  …………                   …….       40—50

 

При измерении методом обкатывания мерным роликом возникают   погрешности измерения, обусловленные косвенным методом контроля,  конструкцией прибора и т.п. Основными источниками возникновения погрешности измерения являются:

– погрешность изготовления и аттестации  измерительного ролика по наружному диаметру и износ его рабочей поверхности;

– биение наружной поверхности ролика;

– упругие деформации ролика и детали;

– неточность установки ролика относительно оси вращения контролируемой детали;

– шероховатость поверхности контролируемой детали;

– температурные деформации детали и ролика;

– несовпадение командных и измерительных импульсов;

– проскальзывание ролика относительно измеряемой поверхности.

Погрешность изготовления и износ рабочей поверхности ролика.

Отклонения диаметра ролика от расчетного является одной из главных причин, ограничивающих точность измерения больших диаметров методом обкатывания. Погрешность Δ1 от отклонения наружного диаметра ролика определяют по формуле       

    Δ1  = D/d · Δd                                                                   (11.2.5)  

Из формулы (11.2.5) видно, что диаметр ролика должен быть очень точно аттестован. Из формулы также видно, что чем больше измеряемый диаметр, тем больше погрешность Δ1. Несоответствие диаметра ролика расчетному возникает также в результате длительной эксплуатации прибора и износа и наклепа поверхностных слоев ролика, возникающих под действием усилия прижатия его к детали. Погрешность Δ1 является систематической и может быть учтена в результате измерения. Но только в том случае, если величина ее известна.     

Биение наружной   поверхности  ролика.  

Измеряемый  диаметр детали определяется числом импульсов, выданных фотоэлектрическим преобразователем ролика за целое число оборотов детали. Погрешность Δ2, обусловленная биением наружной цилиндрической поверхности измерительного ролика относительно оси вращения, возникает вследствие эксцентриситета этой поверхности относительно геометрической оси ролика и биения подшипников оси. При наличии биения измерительный ролик будет поворачиваться на дополнительный угол    

     Δαр = ± 2е/dp · sinφ                                                       (11.2.6)  

и погрешность        

   Δ2 = ±е/πk,                                                                  (11.2.7)  

где е — эксцентриситет ролика; k — число оборотов детали за цикл измерения.

Следовательно, вызываемая биением ролика погрешность будет меньше при увеличении числа оборотов детали за цикл измерения. Например, при биении ролика е = 0,01 мм и измерении за один оборот детали погрешность Δ2 = 0,003 мм, а при измерении за 4-е оборота Δ2 = 0,0007 мм. Такой погрешностью при измерении больших диаметров можно пренебречь. Если биение ролика имеет постоянное значение, погрешность Δ2систематическая. В большинстве случаев биение ролика меняется и погрешность Δ2 можно считать случайной.

Упругие деформации измерительного ролика и детали.

Погрешность Δ3 измерения от упругих деформаций обусловлена сближением осей вращения контролируемой детали и измерительного ролика, т.е. изменением их рабочих диаметров. При измерении стальным роликом стальной детали

Δ3= 1,37 – 10-3 qD/d  мм,                                                      (11.2.8)

где q = plb нагрузка на единицу длины контакта, Н/мм.

Кроме деформаций в зоне контакта ролика и детали при работе измерительного устройства возникают деформации в опорах ролика. Погрешность Δ3 является систематической.

Неровности на поверхности деталей.

Шероховатость контролируемой поверхности Rа < 3,2 мкм  существенного влияния на точность измерения не оказывает, так как упругие и остаточные деформации поверхности при качении по ней измерительного ролика невелики. Однако при более грубой измеряемой поверхности происходит смятие ее гребешков и заметные упругие деформации поверхностного слоя, в результате чего снижается точность измерения.

Кроме шероховатости поверхности на точность измерения влияет некруглость поперечного сечения измеряемой детали. В частном случае, принимая некруглость за овальность, погрешность измерения Δ4можно представить разностью между длиной окружности эллипса и длиной окружности круглой детали. Погрешность Δ4 случайная.    

  Температурные деформации детали и ролика.

Температура в процессе измерений диаметра детали в большинстве случаев отличается от температуры, при которой аттестовали диаметр ролика (например, tа = 20 0C). Кроме того, температура детали и ролика может быть различной. Температурная погрешность Δ5состоит из двух составляющих: температурной деформации детали и температурной деформации ролика. Принимая, что измеряемая деталь и ролик имеют равномерное распределение температуры по всей массе, температурную погрешность измерения определяют по следующей зависимости     

    Δ5= D [αD (tD – 20 0C) –  αp (tp– 20 0C)],                                   (11.2.9)

  где αD и αpкоэффициенты линейного расширения детали и ролика; tD и tp— температура детали и ролика.

Однако в реальных условиях обработки крупногабаритных деталей распределение температуры по сечению детали неравномерно. Поэтому определить температурную погрешность расчетным путем практически невозможно. Эта задача может быть приближенно решена для конкретных случаев обработки и измерения на основе экспериментальных данных. Погрешность Δ5может иметь систематическую и случайную составляющие.      Неточность установки ролики. Неточность установки ролика относительно оси вращения контролируемой детали может проявляться в виде непараллельности между осью вращения ролика и поверхностью детали  или  в   виде скрещивания осей  ролика  и детали. Непараллельность между осью ролика и поверхностью детали при наличии радиуса на боковой кромке ролики приводит к уменьшению его обкатного диаметра:

Δр = -2rк (1 – cos α),                                                         (11.2.10)  

где rк — радиус кромки ролика; αугол перекоса ролика. Погрешность Δ6  от непараллельности определяется по  формуле    

   Δ6 = 2rк (1 – cos α) · D/d                                                 (11.2.11)  

Более существенной является погрешность от скрещивания осей вращения ролика и контролируемой детали. При скрещивании осей ролик проскальзывает, а окружные скорости ролика vp и детали vд связаны зависимостью

vp = vд cos β,                                                                         (11.2.12)

  где β — угол между осями вращения детали и ролика. За время измерения углы поворота ролика и детали различны и погрешность измерения определяется по формуле    

Δ7  = (Δβр /Δβд ) d = D (1- cos β)                                             (11.2.13)  

и вызывает занижение показаний прибора. Неточности установки ролика стараются устранить двумя способами: точной первоначальной установкой оси ролика и детали или применением специальных шарнирных самоустанавливающихся приспособлений, на которых крепится ролик. Погрешность вследствие проскальзывания ролика по детали возникает из-за недостаточности усилия прижатия ролика, попадания масла или охлаждающей жидкости на поверхность контролируемой детали и вибраций станка. Для уменьшения погрешности, необходимо правильно выбрать усилие прижатия ролика, а для снижения влияния вибраций не проводить измерения во время резания. Несовпадение командных и измерительных импульсов. Как известно, счет импульсов, поступающих от фотоэлектрического преобразователя  ролика, осуществляется в промежутке времени между командными импульсами датчика счета оборотов детали (начало и конец счета). Несовпадение командных и измерительных импульсов является причиной ошибок, вносимых счетчиком. Наибольшая погрешность от несовпадения командных и измерительных импульсов равна конструктивной постоянной ролика       

  Δ8  = d/p,                                                                    (11.2.14)  

где p — число импульсов за один оборот ролика. Поэтому, чем выше дискретность преобразователь ролика, тем меньше погрешность Δ8. Например, если диаметр ролика 85 мм и за один оборот ролика выдается 10 тыс. импульсов, погрешность Δ8 не превышает 8,5 мкм. Суммарная погрешность измерения обкатным прибором   

  Δсм= Δ1 + Δ3 + Δ5 + Δ6 + Δ7 ± Δ22 + Δ42 + Δ52 + Δ82          (11.2.15)  

 

Иванов Б.И. Измерение линейных размеров методом обкатывания роликом.- М.: Машиностроение, 1973.- 144с.