П.П. Вороничев и др. Индикаторы для линейных измерений

 

 

   Станки и инструмент №9, 2015                                                                620.1.08.621.758


                                     П.П. Вороничев,  М.И. Этингоф   

                     ОАО «НИИизмерения», Москва, Россия, e-mail: etingof@glasnet.ru

 

Индикаторами называ­ют обособленные  механические или электронные  измерительные головки, у которых при измерении шкала и указатель (стрелка) или встроенный  цифровой дисплей показывают результаты измерения.

Механические      индикаторы со шкалой и стрелкой     появились давно. Это были довольно точные приборы для относительных измерений. Их появление привело к серьезным  изменениям в линейных измерениях того времени, когда в машиностроении применялись только калибры, штангенциркули и микрометры.

Сравнительно недавно начали применять  электронные индикаторы с цифровым отсчетом, имеющие высокие потребительские свойства, в том числе позволяющие проводить абсолютные измерения.

Поэтому целесообразно показать достоинства  и область применения механических и электронных индикаторов в современном машиностроительном производстве.

Ключевые слова:  механический индикатор, электронный индикатор, шкала, зубчатая передача, рычажная передача, цифровой отсчет, инкрементный, емкостной, индуктивный.

 

Indicators for linear measurements

The mechanical or electronic transmitters whose measurement schedule and arrow, or a built-in digital display show the measurement result are called indicators. Mechanical indicators with a schedule and an arrow appeared long ago. These were rather accurate instruments for relative measurements. They induced prominent changes in the linear dimensions measurements in those times when calibers, calipers, micrometers were used.

The relatively recent emergence of electronic indicator with digital readout also led to serious changes in the linear dimensions measurements in engineering.
Therefore, it is advisable to show the advantages and the spheres of application of mechanical and electronic indicators in modern mechanical production.

Key words: mechanical indicator, electronic indicator, schedule, gears, linkage, digital readout, , incremental, capacitive, inductive.

Индикаторами называ­ют механические или электронные конструктивно обособленные измерительные головки, содержащие корпус с передаточным механизмом, шкалой и указателем (стрелкой) или электронный преобразователь и цифровым дисплеем, подвижный стержень с измерительным наконечником и элементы крепления.

Индикаторы можно условно разделить на следующие группы:

– механические индикаторы часового типа с зубчатой  передачей, содержащие шкалу и стрелку;

– механические индикаторы с рычажно-зубчатой передачей, содержащие шкалу и стрелку;

– электронные индикаторы с емкостным или индуктивным инкрементным преобразователем и встроенным цифровым дисплеем.

Механические      индикаторы со шкалой   и стрелкой    появились давно. Это были   точные и  удобные  приборы для относительных измерений. Они совершили серьезное изменение в технике линейных измерений того времени, когда в машиностроении применялись калибры, штангенциркули,  микрометры и т.п., потому что были точнее этих измерительных средств и существенно повысили точность машиностроительных деталей.

. Индикаторы позволили разрабатывать контрольные приспособления, позволяющие измерять самые разные детали в цехах и лабораториях и даже в процессе обработки на станках.

Механические  индикаторы доминировали в измерительной технике до появления электроконтактных, пневматических и индуктивных приборов, имевших более высокую точность, крупные шкалы и возможность выдавать сигналы для управления контрольно-сортировочными  автоматами и станками.

Но и в настоящее время механические индикаторы широко применяют для простых относительных измерений, в универсальных приборах (нутромерах и др.), для настройки станков и т.п.  Достоинством механических индикаторов является высокая надежность, простота и понятность использования  и низкая стоимость.

Механические  индикаторы выпускают  зарубежные фирмы  –  Tesa  (Швейцария), Mahr (Германия), MITUTOYO (Япония),  и др. В России индикаторы часового типа  выпускает Кировский инструментальный завод  (г. Киров).

Механические индикаторы часового типа выпускают по международному стандарту ISO 463:2006 с учетом требований стандарта ISO 14978:2006.

Большинство выпускаемых механических индикаторов являются индикаторами часового типа.

Долгое время не удавалось повысить точность индикаторов часового типа, имевших сравнительно большие по­грешности в основном вследствие биения триба, сопрягаемого с зубчатой рейкой измерительного стержня,  зазоров в  опорах осей трибов и ошибок изготовления профиля зубчатых колес.  Поэтому индикаторы часового типа выпускались только с ценой деления 0,01 мм. Однако, в настоящее время благодаря применению твердокаменных опор (например, из агата)  осей зубчатых колес, более качественного изготовления профиля трибов и зубчатых колес и точной беззазорной направляющей скольжения измерительного стержня удалось  существенно повысить точность и надежность индикаторов часового типа и выпускать индикаторы с ценой деления 0,001 мм.

Были проведены большие теоретические и экспериментальные работы [4] по конструированию индикаторов с рычажными и пружинными передачами и организован их выпуск. Действительно, рычажные  индикаторы и пружинные головки (микрокаторы) обеспечивали высокую точность измерения, но имели небольшие диапазоны измерения и были сложны в изготовлении, так как требовали настройки передаточного отношения (цены деления шкалы).

Механические индикаторы выпускаются  со степенью защиты от IP52 – до IP63  по стандарту DIN EN  60529 и ГОСТ 14254-96.

Фирмы выпускают  очень большое количество моделей индикаторов часового типа различного назначения с:

– ценой деления шкалы –  0,001; 0,002; 0,01; 0,1  мм;

– диапазоном измерения – 1,0; 3,0; 5,0; 10,0; 30,0; 50,0 100,0; 200,0 мм;

– диаметром шкалы – 40; 57; 58; 82 мм;

– с измерительным усилием –  от 0,7 до 2,2 N.

Наиболее точные индикаторы часового типа имеют следующие предельные значения метрологических характеристик (табл. 1).

Таблица 1

         Цена деления шкалы, мкм
            1,0           2,0            10,0
Предельно допустимые отклонения MPE (погрешность показаний) в диапазоне измерения, мкм  

4,0

 

10,0

 

12,0

 

Предельно допустимые отклонения MPE (погрешность показаний) в диапазоне 0,010 мм, мкм  

4,0

 

6,0

 

6,0

 

Воспроизводимость

(повторяемость), мкм

 

1,0

 

1,5

 

3,0

Гистерезис, мкм              1,0            2,0                3,0

 

Кроме индикаторов часового типа, выпускают ограниченное число моделей индикаторов с рычажно-зубчатой передачей для более точных относительных измерений в небольшом диапазоне:

– с ценой деления шкалы –  0,5;  1,0; 2,0  мкм;

– с диапазоном измерения –  ± 40; ±50;  ±100 мкм.

Эти индикаторы имеют направляющие измерительного стержня на насыпных шарах и механизм настройки передаточного отношения рычажной передачи.

Индикаторы с рычажно-зубчатой передачей имеют следующие предельные значения метрологических характеристик (табл. 2)

Таблица 2

         Цена деления шкалы, мкм
      0,5        1,0        2,0
Предельно допустимая погрешность показаний G, мкм  

0,8

 

0,8

 

1,0

Воспроизводимость

(повторяемость), мкм

 

0,4

 

0,3

 

0,3

Гистерезис, мкм          0,3          0,3         0,3

 

Пружинные головки (микрокаторы и микаторы) сняли с производства.

Сравнительно недавно  начали выпускать электронные индикаторы, снабженные емкостным или индуктивным инкрементным  преобразователем.  Достоинства электронных  индикаторов состоит в том, что они имеют цифровой отсчет и  большие диапазоны измерения. Цифровой отсчет чрезвычайно удобен по сравнению с отсчетом по двум аналоговым шкалам механических индикаторов часового типа. Также электронный индикатор,  в отличие от механического, не требует настройки на ноль с помощью концевых мер длины и ручных манипуляций с перестановкой индикатора. Настройка на ноль электронного индикатора производится нажатием  кнопки «ноль» в любом месте диапазона измерения.

В электронных индикаторах применяют бесконтактные емкостные  или индуктивные инкрементные преобразователи (ИП). Инкрементные  преобразователи  измеряют приращение измеряемой координаты при перемещении измерительного стержня (отсюда и их название,  increment – приращение). Подобные преобразователи благодаря возможности интерполирования результатов измерения относительно периода шкалы измерителя обладают высокой разрешающей способностью. Также важно, что у ИП  нелинейность характеристики не зависит от диапазона измерения.

Емкостные ИП впервые были выпущены фирмой Sylvac (Швейцария) в 1983 году.

Емкостные и индуктивные ИП выгодно отличаются небольшой мощностью, потребляемой для считывания информации со шкалы. Поэтому емкостные и индуктивные ИП   наиболее удобны для применения в измерительных системах с жесткими ограничениями на потребляемую мощность. Их широко используют в ручном измерительном инструменте с цифровым отсчетом (штангенциркули, микрометры, индикаторы и т.п.) и с батарейным питанием.

Упрощенная схема емкостного и индуктивного ИП показана на рис. 1.

Индукт. инкремент.Рис. 1         Упрощенная схема емкостного и индуктивного ИП

Емкостные и индуктивные ИП выполнены по одному принципу – шкала состоит из последовательности одинаковых по форме и размерам рабочих элементов (электродов у емкостных ИП и печатной обмотки типа лестницы у индуктивных ИП). На подвижном относительно шкалы носителе размещается две группы элементов: многофазная система, создающая периодическую бегущую волну, и считывающее (сканирующее) устройство. Шаг электродов от 1 до 4 мм. Сканирующее устройство передвигается вдоль шкалы с небольшим зазором. Выходной сигнал имеет периодическую форму (рис. 1), сдвиг фазы этого сигнала определяет величину перемещения сканирующего устройства относительно шкалы.  Емкостные ИП работают в электрическом поле, индуктивные  – в магнитном.    Принцип действия   емкостного ИП  рассмотрен в статье [1]. Недостатком емкостных преобразователей является  чувствительность к влажности окружающего воздуха. При увеличении влажности у емкостных ИП увеличивается нелинейность показаний. Поэтому  в 2003 году фирма Sylvac выпустила индуктивный ИП.

Индуктивный ИП  работает в магнитном поле и поэтому не чувствителен к влажности и другим загрязнениям шкалы.

Индуктивный ИП  (рис. 2) состоит из шкалы (линейки) и считывающего устройства, которое перемещается над шкалой с небольшим зазором h. Шкала, похожая на лестницу, состоит из серии замкнутых петель (рис. 2), расположенных  с шагом  Т, токи которых направлены встречно. На считывающем устройстве на двух сторонах платы нанесена последовательность из трех чередующихся плоских зигзагообразных основных обмоток и трех чередующихся зигзагообразных съемных обмоток с шагом H. Две плоские зигзагообразные обмотки взаимодействуют через подвижную

петлю.

Индукт. инкремент. 2Рис. 2  Принцип действия индуктивного ИП

Напряжение V через первую обмотку индуцирует ток i в петле, который непосредственно индуцирует напряжение v во второй обмотке. Если петля сдвигается на один шаг Т, индуцированный ток  реверсируется (поворачивается по часовой стрелке), но напряжение обмотки v имеет ту же полярность снова (два реверса): связь  v /V  становится  зависимой от х с периодом T.
Шкала состоит из серии замкнутых петель с шагом  Т, токи которых направлены встречно. Токи,  создаваемые в первой зигзагообразной обмотке,  усиливают  друг друга в соседних петлях,  а  поэтому и  напряжения  наводимые во второй (выходной) зигзагообразной обмотке.
Основой измерения является шкала,  более длинная, чем обмотки. Внешние электромагнитные поля, не вызывают замкнутых  токов в петле, поэтому на напряжение, индуцированное на второй обмотке, они не оказывают воздействия. Две обмотки сдвинуты на T/4  шага шкалы. Если шкала  смещается влево или вправо, разность фаз с опорным сигналом также смещается со скоростью периода, и отслеживается перемещение  любой длины.

Основной недостаток индуктивных ИП – большая мощность потребления по обмоткам, создающим бегущую волну.  Потребление можно существенно уменьшить, создавая возбуждение короткими импульсами разной длительности и полярности, так что огибающая этих импульсов образует периодическую бегущую волну.

У индуктивных ИП значительно меньше шаг электродов, чем у емкостных, от 1 до 2 мм, что облегчает изготовление обмоток и позволяет увеличить зазор h. Обычно h составляет от 0,1 до 0,2 шага T.  Выходной сигнал индуктивных ИП после низкочастотной фильтрации представляет собой  синусоиду с фиксированной амплитудой, фазовый сдвиг которой линейно зависит  от перемещения шкалы.

 

В микросхеме, установленной в считывающем устройстве выходной сигнал   интерполируется и преобразуется в цифровые показания, отображаемые на дисплее.

В электронных индикаторах с ИП соблюдается    принцип Аббе, так как ИП расположен на измерительном стержне. Это повышает точность измерения. В корпусе  электронного индикатора  расположена    микропроцессорная схема и  дисплей с цифровым отсчетом. Высота цифр составляет 7 – 9 мм. На корпусе индикатора  имеются две кнопки «вкл/выкл» и установка «нуля». Установка нуля возможна в любом месте диапазона измерений.  Некоторые модели имеют дополнительные функции, например, сортировка по размерам, кодовый выход на внешние устройства и др. Вся электронная система питается от небольшой литиевой  батарейки, срок службы которой 1,5 года или 20000 часов.

Электронные индикаторы выпускаются со степенью защиты от IP52 – до IP67 (герметичные) по стандарту DIN EN  60529 и ГОСТ 14254-96.

Электронные индикаторы  выпускают по международному стандарту ISO 463:2006 с учетом требований стандарта ISO 14978:2006.

Особенность ИП в том, что их погрешность не зависит от диапазона измерений (рис. 3), а зависит от дискретности линейки (ширины электродов) и качества их изготовления.

Рис. 3    График погрешности электронного индикатора

Выпускают   большое количество моделей электронных индикаторов с ИП с:

– дискретностью отсчета –  0,001;  0,01   мм;

– диапазоном измерения – 5,0; 10,0; 12,5; 25,0; 30,0; 50,0; 100,0; 150,0 мм;

– измерительным усилием –  от 0,7 до 2,2 N.

Электронные индикаторы  с ИП имеют следующие предельные значения метрологических характеристик (табл. 3)

Таблица 3

Дискретность отсчета,

мкм

       1,0        10,0
Предельно допустимая погрешность показаний , мкм  

4,0

 

10,0

Воспроизводимость

(повторяемость), мкм

 

2,0

 

2,0

Гистерезис, мкм          0,3         0,3

 

Достоинством  электронных индикаторов  с ИП является простая технологичная конструкция,  сравнительно низкая цена  и вполне удовлетворительные  метрологические характеристики.

Таким образом, в настоящее время выпускают и широко применяют главным образом  две модели индикаторов    –  механический индикатор часового типа с отсчетом по штриховой шкале  и электронный индикатор с инкрементным емкостным или индуктивным преобразователем с цифровым отсчетом. Но электронный индикатор настолько удобен в эксплуатации, что в ближайшем будущем он постепенно вытеснит механический индикатор.

 

Л и т е р а т у р а

  1.   Вороничев П.П. и др. Инкрементные емкостные преобразователи перемещений. М.: Датчики и системы, 2001, №2