2.6 Индикаторы часового типа и цифровые индикаторы

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

Индикаторы можно условно разделить на следующие группы:

– механические индикаторы часового типа (с зубчатой  передачей,  шкалой и стрелку;

– механические индикаторы с рычажно-зубчатой ,передачей,  шкалой и стрелкой;

– электронные (цифровые) индикаторы с встроенным энкодером и цифровым дисплеем;

– индикаторы бокового действия.

Механические      индикаторы с круговой  шкалой и стрелкой     появились в 50-е годы прошлого века. Это были довольно точные приборы для относительных измерений. Они привели к существенным  изменениям в линейных измерениях того времени, когда в машиностроении применялись калибры, штангенциркули и микрометры

.  С использованием индикаторов  разрабатывали 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 пневматических и индуктивных приборов, имевших более высокую точность, крупные шкалы и возможность выдавать сигналы для управления контрольными сортировочными  автоматами и станками.

Но и в настоящее время механические индикаторы широко применяют для простых относительных измерений. Достоинством механических индикаторов является высокая надежность и низкая стоимость.

Электронные индикаторы  появились сравнительно недавно. Их отличает  высокая точность, большие диапазоны измерений, цифровой отсчет,  дружественная конструкция и удобство в эксплуатации.

Механические индикаторы

Механические зубчатые и рычажные индикаторы широко применяют для сравнительных измерений размеров деталей, малых перемещений и отклонений формы (например, биений). При измерениях индикаторы устанавливают на стойки или штативы или в контрольные приспособления,  (например, широко распространенные  приспособления для проверки размеров деталей подшипников качения), на приборы для проверки зубчатых ко­лес и зацеплений, на индикаторные нутромеры, а также на магнитные стойки при наладке металлорежущих станков и др.

Инд.часов.

Рис. 2.6.1   Механический индикатор часового типа

Механические  индикаторы выпускают ведущие зарубежные фирмы США,  Европы и Японии –  Tesa  (Швейцария), Mahr (Германия), MITUTOYO (Япония),  и др. В России механические индикаторы  выпускает Кировский инструментальный завод   (г.Киров). Каждая фирма предлагает большую гамму индикаторов для решения различных измерительных задач.

Индикаторы часового типа (рис. 2.6.1) являются измеритель­ными головками с зубчатой передачей.

Механические индикаторы часового типа выпускают по международному стандарту ISO 463:2006 “Конструкция и метрологические характеристики механических приборов с круговой шкалой” с учетом требований стандарта ISO 14978:2006.

Принципиальная схема  индикатора часового типа показаны на рис. 2.6.2.

Индикатор имеет жесткий цилиндрический корпус, в котором размещен измерительный механизм.  Измерительный стальной закаленный стержень  установлен в точной направляющей скольжения. Стержень перемещается  в  бронзовых  втулках и притерт  к ним без зазора.         На измерительном стержне на­резана зубчатая рейка, зацепляющаяся с трибом . На одной оси с ним посажено зубчатое колесо, передающее вращение другому трибу, на оси которого закреплена основная стрелка. На оси первого триба  насажена маленькая стрелка указателя числа оборотов основной стрелки. С первым трибом  зацепляется также зубчатое колесо, на ось которого напрессована втулка с пружинным спиральным волоском. Волосок создает натяг во всех зубчатых зацеплениях индикато­ра, заставляя их работать одной стороной профиля зуба, устра­няя тем самым влияние зазоров в зацеплении на показания ин­дикатора.

  _   В современных индикаторах часового типа оси зубчатых колес и трибов установлены на твердокаменных опорах (рубиновых подшипниках) и повышена точность изготовления профиля зубчатых колес. Это обеспечивает большой срок службы и высокие метрологические характеристики. Измерительное усилие создается пружиной растяжения. На  измерительном  стержне закреплена   шпон­ка  с большим вылетом, исключающая  возможность поворота измерительного стержня.  Во многих моделях циферблат-шкала  может повертываться с целью установки индикатора на нуль при на­стройке его на размер. Большинство индикаторов снабжено противоударной защитой измерительного механизма. Индикаторы часового типа, как правило, являются многооборотными – стрелка на диапазоне измерения может совершать несколько оборотов. Это значительно облегчает процесс настройки индикатора на нуль на любом обороте стрелки.Рис. 2.6.2  Кинематическая схема индикатора часового типа

Передаточное отношение индикатора определяют как отно­шение линейного перемещения конца стрелки к вызвавшему его перемещению измерительного стержня

i=R α / S,

  где R — радиус стрелки;

α угол поворота стрелки в радианах;

S — перемещение измерительного стержня, вызвавшее пово­рот стрелки на угол α.

Угол поворота стрелки определяют как произведение угла β поворота триба z1 на передаточное отношение следующей зуб­чатой пары, равное отношению чисел зубьев ведущего и ведо­мого колес:

                                α  = β z2 / z3 .                                             

Так как     β =2S/ m z1   рад,

  то                          α =2S z2 / m z1 z3 , рад.

Следовательно,   передаточное отношение индикатора будет

i=2R z2/m z1 z3                              

Индикаторы, у которых стрелка со­вершает полный оборот или несколько оборотов,  первое и последнее деления на круглой шкале индикато­ра совпадают, т.е.  при перемещении измерительного стерж­ня на 1 мм стрелка совершала ровно один оборот. Для выпол­нения этого условия числа зубьев и модуль зацепления выбраны так, чтобы при S = 1 мм получился угол поворота стрелки α = 2π рад:

                            2π = 2 z2/m z1 z3

или

                          m = z2 / π z1 z3                                    

Цену деления шкалы определяют по формуле

                              c = a /I,    

       где a интервал деления шкалы

     Расстояние между штрихами шкалы выбирают в зависимости от диаметра шкалы  1,5 или 2,3 мм.

    Индикатор часового типа не имеет погрешности схемы, и ход его кри­вой погрешности зависит от эксцентриситета колес и от местных дефектов контактных элементов передачи (главным образом, ре­ечной пары). На рис. 2.6.3 показаны метрологические характеристики индикатора часового типа

 Погрешность ИнЧас

Рис. 2.6.3   Метрологические характеристики индикатора часового типа

Выпускают в  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.

Индикаторы выпускают   со степенью защиты от IP52 – до IP63  по стандарту DIN EN  60529 и ГОСТ 14254-96.

У индикаторов с большим диапазоном измерения  измерительное усилие и его перепад больше.

Крепление индикаторов в стойках и приспособлениях про­изводится за гильзу диаметром 8h6.

Также выпускают  индикаторы, снабженные ушком на задней стороне корпуса, которое используется в основном при креплении индикатора на универ­сальном штативе.

Выпускают  торцовые индикаторы, у которых измерительный шток перпендикулярен циферблату шкалы. Но они имеют ограниченное применение.

Под погрешностью показаний индикатора в пределах данного участка шкалы понимается сумма абсолютных величин наиболь­ших (положительной и отрицательной) погрешностей, накоплен­ных на данном участке при прямом и обратном ходе измери­тельного стержня.

Погрешности индикаторов зависят от диапазона измерений, цены деления и пр.

Наиболее точные индикаторы часового типа имеют следующие предельные значения метрологических характеристик (табл. 2.6.1)

Таблица 2.6.1

         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

 

       Долгое время не удавалось повысить точность индикаторов часового типа, имевших сравнительно большие по­грешности в основном вследствие биения триба, сопрягаемого с зубчатой рейкой измерительного стержня, и зазоров в  опорах осей трибов и отклонений профилей зубчатых колес. Поэтому индикаторы часового типа выпускались только с ценой деления 0,01 мм.

     Поэтому были проведены большие теоретические и экспериментальные работы [2] по конструированию индикаторов с рычажными и пружинными передачами и организован их выпуск. Действительно эти индикаторы обеспечивали высокую точность измерения, но имели небольшие диапазоны измерения и были сложны в изготовлении, так как требовали настройки передаточного отношения (цены деления шкалы).  Однако, точность индикаторов часового типа удалось существенно повысить применением указанных выше конструктивных и технологических решений и количество выпускаемых рычажно-зубчатых индикаторов резко сократилось, а индикаторы с пружинной передачей (микрокаторы) вообще перестали выпускать.

В настоящее время выпускают несколько моделей индикаторов  с  рычажно-зубчатым механизмом с ценой деления 0,5; 1,0 и 2,0 мкм, предназначенных для точных относительных измерений в небольших диапазонах. Индикатор на входе имеет один – два элементарных рычажнгых механизма, а на выходе одна-две зубчатых передачи. В качестве контактных звеньев рычажных переда используют шар-плоскость или цилиндр-цилиндр, изготовленных из закаленной стали или твердого сплава.

Пример кинематической  схемы рычажно-зубчатого  индикатора   показан на рис. 2.6.4.

Рис. 2.6.4   Кинематическая схема рычажно-зубчатого индикатора

Механизм индикатора состоит из двух рычажных и одной зубчатой пары. По­следняя расположена в кон­це кинематической цепи ме­ханизма. Поэтому погрешно­сти зубчатого зацепления почти не влияют на суммар­ную погрешность прибора. В рычажной системе меха­низма индикатора  предусмотре­ны регулировки передаточ­ного отношения изменением длины малого плеча перво­го рычага и выбором участка с минимальной ошибкой — изменением положения опор­ного штифта второго рыча­га. Сначала изменением поло­жения штифта добиваются симметричности погрешностей  при наибольших отклонениях стрелки. Затем регулируется малое плечо первого рычага путем поворота втулки с эксцентричной сферической опорой до устранения погрешностей в заданных точках. Погрешность схемы правильно отрегулированного индикатора  не превышает 0,1 мкм.

Передаточное отношение индикатора определяют по аналогии с индикатором часового типа

і= Rα/S

α = β r2 z1 /r3 z2                                   

где β — угол поворота рычага r1 при перемещении измеритель­ного стержня на величину S;

r2 /r3 –  передаточное отношение рычажной пары;

z1/z– передаточное отношение зубчатой пары.

Так как

β =S/ r1.

то                 і = R r2 z1/ r1 r3 z2

Цена деления

                                                      c = a / i

   Для повышения точности и износоустойчивости механизма индикатора опоры всех передач выполнены на часовых твердокаменных  камнях. Направляющие измерительного стержня выполнены на насыпных шарах.

Из­мерительный стержень имеет свободный ход, предохраняющий механизм индикатора  от повреждений при ударах по наконечнику.

     Фирмы выпускают ограниченное число моделей механических индикаторов с рычажно-зубчатой передачей для точных относительных измерений в небольшом диапазоне:

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

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

     Индикаторы с рычажно-зубчатой передачей имеют следующие предельные значения метрологических характеристик (табл. 2.6.2)

Таблица 2.6.2

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

Измерительное усилие не более 2,0 Н. Коле­бание измерительного усилия в пределах всей шкалы при пря­мом и обратном ходе измерительного стержня допускается не более 60 сн.

Индикаторы с ценой деления 0,002 мм имеют вдвое большую ве­личину малого плеча с соответствующим уменьшением переда­точного отношения.

Для повышения точности и износоустойчивости механизма рычажно-зубчатого индикатора (рис. 2.6.5) опоры всех передач выполнены на часовых камнях.

Индикатор час.

Рис. 2.6.5  Кинематическая схема рычажно-зубчатого инликатора.

Из­мерительный стержень имеет свободный ход, предохраняющий механизм индикатора от повреждений при ударах по наконечнику. Установку прибора на нуль производят поворотом шкалы в пре­делах ±5 делений с последующим креплением стопорным вин­том. Индикатор снабжена арретиром и указателями полей допус­ков. Индикатор устанавливают в стойку или приспособление  за гильзу диаметром 8h6.

     Электронные (цифровые) индикаторы

Сравнительно недавно   начали выпускать электронные индикаторы (рис. 2.6.6), оснащенные, как правило,   инкрементными преобразователями.  Достоинство электронных  индикаторов состоит в том, что они имеют цифровой отсчет и  большие (от 5 до 200 мм) 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 тем, что  не требует настройки на ноль с помощью концевых мер длины. Его настройка на ноль производится нажатием  кнопки «ноль» в любом месте диапазона измерения.

             Рис. 2.6.6  Электронный (цифровые) индикатор

        В электронных индикаторах применяют бесконтактные преобразователи (емкостные, индуктивные и реже оптоэлектронные). В них соблюдается    принцип Аббе. Это повышает точность измерения.

Электронные индикаторы выпускают ведущие зарубежные фирмы США,  Европы и Японии –  Tesa  (Швейцария), Sylvac (Швейцария),  Mahr (Германия), MITUTOYO (Япония),  и др. Каждая фирма предлагает большую гамму индикаторов для решения различных измерительных задач.

Электронные индикаторы выпускают главным образом с  инкрементными емкостными или индуктивными преобразователями , так как они чрезвычайно технологичны и дешевы.

Инкрементные  преобразователи  измеряют приращение измеряемой координаты при перемещении измерителя (отсюда и их название,  increment – приращение). Подобные преобразователи благодаря возможности интерполирования результатов измерения относительно периода шкалы измерителя обладают высокой разрешающей способностью. Инкрементные емкостные преобразователи выгодно отличаются небольшой мощностью, потребляемой для считывания информации со шкалы. Поэтому емкостные преобразователи наиболее удобны для применения в измерительных системах с жесткими ограничениями на потребляемую мощность (штангенциркули, микрометры, индикаторы).

Емкостной или индуктивный инкрементный энкодер (раздел 3.2) состоит из гибкой линейки и съемника, выполненных из фольгированного диэлектрического материала. Линейка представляет собой многослойную гибкую  ленту с нанесенным на ней фольгированным слоем. На изнаночной стороне нанесен клей и линейка (лента) приклеивается к стеклянной пластинке, закрепленной неподвижно на корпусе индикатора (или его механизма). На фольгированном слое выполнены прямоугольные штрихи (электроды). Ширина  прямоугольных электродов  и промежутков между ними обычно одинакова и определяет чувствительность и точность измерительной системы. На стержне индикатора  расположена небольшая считывающая шкала (съемник), с   электродами, нанесенными  на фольгированном слое, наклеенном на стеклянную пластинку .

В корпусе  электронного индикатора  расположены     микропроцессорная схема и  ЖК-дисплей с цифровым отсчетом. Высота цифр дисплея 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 (обычно RS 232) на внешние устройства и др. Выпускаются модели , снабженные кабелем с USB разъемом для подключения к внешним устройствам (компьютерам, специальным блокам) и модели, снабженные передатчиком для бескабельной передачи данных. Это позволяет производить статистическую обработку результатов измерений с помощью ПО внешних устройств.

Вся электронная система индикатора питается от небольшой литиевой  батарейки, срок службы которой 1,5 года или 20000 часов.

Индикаторы снабжены точной беззазорной направляющей скольжения измерительного стержня.

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

Особенность инкрементных преобразователей в том, что их собственная погрешность практически не зависит от диапазона измерений, а зависит от дискретности линейки (ширины электродов) и качества их изготовления.

Выпускают  очень большое количество моделей электронных индикаторов с инкрементными емкостными и индуктивными преобразователями с:

– 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 Н.

Электронные индикаторы  с инкрементными емкостными и индуктивными преобразователями имеют следующие предельные значения метрологических характеристик (табл. 2.6.3)

Таблица 2.6.3

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 инкрементными преобразователями является простая технологичная конструкция,  сравнительно низкая цена . и вполне удовлетворительные  метрологические характеристики.

Также выпускают индуктивные индикаторы, имеющие традиционную   индуктивную систему (раздел  3.1) и измерительный стержень, установленный на насыпных шарах (рис. 2.6.7).

Рис. 2.6.7   Измерительный стержень на насыпных шарах

Индуктивные  индикаторы имеют хорошие метрологические характеристики, но более сложную конструкцию и небольшой диапазон измерений.

Выпускают несколько  моделей электроных индикаторов с индуктивными преобразователями с:

– дискретностью отсчета –      0,5; 1,0; 5,0;  и 10,0   мкм;

– диапазоном измерения –                             ±1,0; ±2,0 мм

  Предельно допустимая погрешность

показаний G                                     –                 ±0,6 мкм.

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 м преобразователем с цифровым отсчетом. Но электронный индикатор настолько удобен в эксплуатации, что в ближайшем будущем он постепенно вытеснит механический.

Поверку метрологических характеристик индикаторов осуществляют двумя способами: с помощью концевых мер длины класса 1 или 2 или на горизонтальном компараторе.

Компаратор снабжен подвижным столиком, установленным на шариковых беззазорных направляющих,  более точным образцовым аттестованным средством (по сравнению с поверяемым индикатором), показания которого сравнивают с показаниями поверяемого индикатора при совместном перемещении измерительных стержней индикатора и образцового средства.

Второй способ более производительный и не требует высокой квалификации контролера.

Индикаторный глубиномер

В дополнение к штангенглубиномерам и микрометрическим глубиномерам выпускают индикаторный глубиномер (рис. 2,6.8).

Индикаторный глубиномерРис. 2.6.8  Индикаторный глубиномер

   На посадочный диаметр индикатора надета опора. Индикатор снабжен четырьмя цельными сменными наконечниками разной длины, охватывающими весь предел измерения глубиномера от 0 до 200 мм. Опорная поверхность закалена, шлифована и притерта. Диапазон измерения 10 мм. Применяют индикатор часового типа или цифровой индикатор.

 

 

М.М. Кемпинский,  Точность и надежность измерительных приборов. Л, Машиностроение, 1972. 264 с.

 2    Б.М. Сорочкин, Ю,З. Тененбаум, А.П. Курочкин,  Ю.Д. Виноградов.  Средства для линейных измерений. Л., Машиностроение,1978, 263 с.

Чудов В.А., Цидулко Ф.В., Фрейдгейм Н.И. Размерный контроль в машиностроении М, Машиностроение, 1982, 328

Этингоф М.И.  Современный штангенциркуль. Измерительная техника №8, 2012