5.15 Щупы для КИМ

В отличие от многих приборов для линейных измерений у всех КИМ только один элемент контактирует с измеряемой повехностью – сферический наконечник (шарик) щупа.  Поэтому выпускают много вариантов щупов примерно одинаковой конструкции, которые позволяют контролировать различные  наружные и внутренние поверхности, зубчатые колеса, блоки двигателей внутреннего сгорания и т.п.В конструкции щупа много ограничений. Щуп крепится на чувствительном элементе датчика касания. Поэтому он не может быть тяжелым. Кроме того, если щуп будет тяжелым, то при быстрых перемещениях пиноли КИМ он может отрывать чувствительный элемент датчика касания от опор и вносить дополнительную погрешность.

Большинство щупов имеют аналогичную и довольно хилую конструкцию (рис. 5.15.1).

Щупы-1Рис. 5.15.1 Щупы

Щуп состоит из стержня, на одном конце котого крепежная резьба  М2, М3, М4 или М5, на другом измерительный наконечник (сферический шарик).

Шарик выполняют из стали, искусственного (синтетического) рубина или нитрида кремния. Отклонение шарика от сферической формы до 0,13 мкм.

Рубин относится к материалам, имеющим самую высокую твердость, и является оптимальным материалом для изготовления шарика щупов для обширного ряда измерительных задач. Рубиновый измерительные наконеяники применяют и в других измерительных приборах.

Синтетический рубин представляет собой 99%-ную окись алюминия,  кристаллы  которого выращиваются при 2000°C с использованием метода Вернейля. Затем кристаллы режутся и обрабатывают до достижения ими точной сферической формы. Рубиновые шарики имеют исключительно гладкую поверхность, большую прочность на сжатие и высокую стойкость к механической коррозии.

Рубин является наилучшим материалом для шарика, однако существует два случая, в которых рекомендуется использовать шарики из других материалов.

Первый случай относится к сканированию по алюминию. Из-за притяжения материалов может возникать адгезионный износ, при котором на шарике происходит нарастание алюминия, переходящего с контролируемой поверхности. В этих случаях лучшим материалом для изготовления шарика является нитрид кремния.

Второй случай относится к сканированию по чугуну. Взаимодействие между двумя материалами может привести к “абразивному износу” поверхности рубинового шарика. Для таких задач рекомендуется использовать шарики из циркония.

      Многие свойства нитрида кремния сходны со свойствами рубина. Это очень твердый и износостойкий керамический материал, из которого при обработке можно получать сферы высокой точности. Поверхность шарика может быть дополнительно отполирована. Нитрид кремния не притягивает частицы алюминия, в связи с чем, в отличие от рубина, не подвержен адгезионному износу. Однако нитрид кремния имеет значительный абразивный износ при сканировании по стальным поверхностям, поэтому область его применения ограничивается, главным образом, алюминием.

     Цирконий представляет собой исключительно прочный керамический материал, по твердости и износу мало уступающий рубину. Благодаря своим поверхностным свойствам этот материал идеально подходит для выполнения сканирования в жестких условиях на деталях из чугуна.

Стержни щупов изготавливают из нержавеющей стали, керамики, углеплпстика. Более толстые старжни изготавливают полыми.

Стержни, изготовленные из немагнитной нержавеющей стали, широко применяются для щупов с диаметрами шарика/наконечника 2 мм и более и длиной до 30 мм. В пределах этого диапазона цельные стальные стержни дают оптимальное соотношение жесткость/вес и обеспечивают при этом адекватный зазор между шариком и стержнем без снижения жесткости в месте соединения стержня и корпуса с резьбой.

Стержни из карбида вольфрама оптимальны для достижения

максимальной жесткости при малых диаметрах стержня, необходимых для шариков диаметром не более 1 мм, или же в случае длин стержня, до 50 мм. За пределами этого диапазона вес становится критическим, или же происходит потеря жесткости из-за отклонения в месте присоединения стержня к корпусу. При длинах более 30 мм и диаметрах шариков более 3 мм керамические стержни обеспечивают жесткость, сравнимую со сталью, но при этом весят значительно меньше, чем такие же стержни из карбида вольфрама. Щупы с керамическим стержнем обеспечивают, кроме того, дополнительную защиту датчика касания от повреждения при столкновении с препятствием, поскольку при этом происходит разрушение стержня.

Углеводородное волокно обладает оптимальными характеристиками жесткости как в продольном направлении, так и при кручении (что важно для конструкций стержня по схеме звезда) при исключительно малом весе. Углеродное волокно идеально для получения максимальной жесткости в сочетании с очень малым весом щупов длиной более 50 мм. Это оптимальный материал для стержня в случае прецизионных датчиков, использующих технологию тензометров. Он отличается превосходными характеристиками, определяющими демпфирование колебаний, и пренебрежимо малым коэффициентом термического расширения.

Точность измерений КИМ во многом  зависит от длины щупа. Чем короче щуп, тем выше точность измерения. Калибровку КИМ и погрешности, указанные в спецификации определяют со щупами длиной 10 или 30 мм. С увеличением длины щупа погрешность измерения увеличивается. Поэтому при выборе длины щупа всегда следует брать щуп наименьшей длины, пригодный для измерения данной детали.     Шарик щупа следует выбирать наибольшего диаметра.       При большем размере шарика увеличивается зазор между шариком и стержнем и, тем самым, снижается вероятность ложных срабатываний датчика касания, вызванных случайным касанием измеряемой поверхности стержнем. Шарик большего размера снижает влияние качества обработки поверхности исследуемого компонента (уменьшает влияние шероховатости поверхности).

На многих КИМ при измерении сложных деталей, например, блока цилиндров) применяют автоматическую смену разных щупов. Для этого  на столе КИМ устанавливают устройство, на котором висят щупы.

Эти щупы имеют особую конструкцию (рис. 5.15.2). Состенно щуп закрепляется на пластинке, на которой установлены три шара, расположенные под углом 120 о.  На датчике касания установлены три призмы тоже под углом  120о и постоянные магниты. Магниты фиксируют шары в призмах на головке с небольшим усилием, но большим контактного усилия щупа. Это позволяет легко менять щупы без применения инструмента, в том числе автоматически в процессе измерения, а также предохраняет щуп от поломки  при случайном столкновении с измеряемой деталью.

Щуп  

Рис. 5.15.2 Сменный щуп с фиксирующими шарами

Применяют много сменных щупов  различной конфигурации и длины (до 500-800 мм).

При применении щупов небольшой длины  датчик касания снабжен механической пружиной, создающей небольшое контактное усилие, при использовании длинных и тяжелыхщупов (до 500-800 мм) датчик касания снабжают «электронной пружиной» в виде линейного электродвигателя, обеспечивающего практически постоянное контактное усилие при любом размере и весе щупа.