книги из ГПНТБ / Средства линейных измерений в зарубежном машиностроении
..pdfУДК 389.6 + 389:65(73)
Средства линейных измерений в зарубежном машинострое нии. О б з о р н а я и н ф о р м а ц и я . Издательство стандартов. 1974, с. 1—76.
В настоящем обзоре приведено описание применяемых в зарубежном машиностроении измерительных средств. Даны технические характеристики некоторых типичных и наиболее прогрессивных измерительных машин, приборов и инструмен тов. Представлены литературные данные об экономической и
технической эффективности их применения, |
а также сведения |
о направлениях совершенствования новых |
и традиционных |
средств измерения геометрических параметров и оценки каче ства продукции. Рис. 3, табл. 4, библ. 81.
Составитель М. И. Меклер Ответственный за выпуск К- Г. Ильина
^ 4з™™,точчый научно-исследовательский институт техни
C,w л .ipupm. -ОС '’ПИИ и к-'
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СТАНДАРТОВ СОВЕТА МИНИСТРОВ СССР
ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ- ИНСТИТУТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ, КЛАССИФИКАЦИИ И КОДИРОВАНИЯ (ВНИИКИ>
ОБЗОРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Се р и я : Метрология и измерительная техника
СРЕДСТВА ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В ЗАРУБЕЖНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
ВВЕДЕНИЕ
Линейные измерения составляют около 80—90% намере ний, выполняемых на деталях, имеющих определенную гео метрическую форму [1]. Эти измерения должны давать ин формаций и о качестве самой продукции, и о правильности хода производственного процесса на всех его стадиях.
При исследованиях,- предшествующих созданию новой продукции и направленных на повышение ее эксплуатацион ных характеристик, например производительности, точно сти, надежности машин, зависимость этих характеристик от геометрических параметров отдельных деталей машин опре деляется путем многочисленных измерений. При этом ре зультаты исследований часто зависят от того, с какой точ ностью и какие именно параметры были измерены.
Практическое использование результатов исследованийосуществляется на следующией стадии производства — при
азработке и конструировании машин и других изделий.
1
Основными параметрами, определяющими !качество про дукции, являются допуски на раамеры, форму, положение поверхностей и шероховатость. Допуски делятся на функ циональные и производственные. Первые определяются пу тем исследований, расчетов или экспериментов, проводимых на (моделях или образцах, в условиях, приближающихся к реальным эксплуатационным.
При этих экспериментах также выполняют измерения с целью проверки расчетных допусков, определения отклоне ний от заданных размеров и выяснения возможности выпол нять измерения с необходимой точностью. При разработке технологии производства испытываются и требующиеся из мерительные системы и приборы. При создании и проверке состояния обрабатывающего оборудования тоже выполня ются линейные измерения. Необходимо решить, какие изме рения могут и должны производиться в процессе производст ва или для контроля за состоянием оборудования, износ и смещение настройки которого влияют на качество продукции.
Для получения качества продукции с наименьшими зат ратами необходимо разрабатывать технологию контроля на стадии разработки конструкции и технологии обработки изде лия. При ;выборе технологического процесса с помощью ли нейных измерений оцениваются следующие параметры этого процесса: погрешности изготовления и измерения; рабочая точность станков, приспособлений и инструментов; предель ные погрешности измерительных средств; влияние среды на погрешности изготовления и измерения; отклонения размеров изготовленных образцов от номинальной геометрии.
Непосредственно в процессе изготовления изделий линей ные измерения служат для определения степени отклонения реальной геометрии от номинальной и выдачи информации для производства.
Особое значение эта информация имеет для управления автоматическими процессами, при которых по статистически обработанным результатам измерения производятся подна ладка и корректировка оборудования.
Кроме цеховых измерений, линейные измерения выполня ются и в (контрольных пунктах для входного контроля мате риалов и приемочного контроля продукции, а также в изме рительных лабораториях, где проверяются приспособления, штампы, инструменты, приборы. Вся получаемая информа ция в конечном счете служит для решения проблем обеспе чения качества и надежности продукции.
Большое разнообразие решаемых с помощью линейных измерений задач, а также разнообразие форм и размеров
2
контролируемых деталей вызвали и большое разнообразие измерительных средств. Измерительные средства различают ся по измеряемым параметрам: номинальным размерам;, измеряемым допускам; допустимым погрешностя!м; методам
измерений (абсолютный, |
относительный, |
дифференциаль |
|
ный и т. п.); требуемой частоте измерений, |
а следовательно, |
||
и производительности; связи между |
контролируемым изде |
||
лием и воспринимающим |
органом |
(контактная, бесконтакт |
ная); способу преобразования измеренной величины (меха нический, пневматический, электронный и др.); способу об работки сигнала (аналоговый или цифровой отсчет, ре гистрация, печать, сортировка, управление);
Одним из решающих факторов при выборе измеритель ных средств является экономическая эффективность. Она в значительной мере предопределяет и организационную фор му контроля, и применяемые средства измерений.
Повышение требований к качеству продукции вызвало рост объема и точности необходимых измерений. Кроме того, повышение производительности методов изготовления, их ав томатизация также увеличивают долю времени измерений в этих процессах. Если лет 30 назад она составляла не более 110%, то в настоящее время нередко доходит до 20—25% [2]. Таким образом, увеличивается и доля затрат на измерения.. Следует учесть, что с возрастанием требований к точности и производительности измерений, а также с появлением новых задач усложнились измерительные средства и повысилась их стоимость. Темп роста приборостроения выше, чем средний темп роста машиностроения. Капиталовложения на измерительную технику составляют около 20% общих капиталовложений [1].
Стремление получить необходимое высокое качество с наименьшими затратами заставляет перейти от заградитель ных к предупредительным функциям контроля. Таким обра зом, центр тяжести измерений перешел от контрольных пун ктов к цехам и измерения во все большей мере становятся интегральной частью производственного процесса.
Для обеспечения необходимого качества без резкого по вышения стоимости решающее значение имеет выбор опти мальных допусков. С одной стороны, конструктор стремит ся задать жесткий допуск, гарантирующий наилучшее функ ционирование машин, а с другой — соблюдение жестких до пусков требует дополнительных затрат. Точность дорога и отражается на стоимости, а следовательно, конкурентоспо собности изделий.
В массовом и крупносерийном производстве уже доволь но давно во избежание брака прибегают к методам активно-
2 За к. 968 |
3> |
го контроля и подналадке оборудования по результатам из мерений. С появлением новых отраслей производства, таких, например, как ракетостроение, где при сравнительно малых партиях деталей их стоимость велика и для обработки при меняется сложное оборудование, простои которого связаны
•с большими материальными потерями, также необходимо повышать производительность измерений и использовать их результаты с минимальной задержкой.
Таким образом, в настоящее время измерительные сред ства получают новую функцию — осуществление обратной ■связи с обрабатывающим оборудованием. Выполнение высо коточных измерений непосредственно в цехах у рабочих мест или даже на станках существенно влияет на конструкцию производственной измерительной техники. От нее требуется значительно большая жесткость по сравнению со средствами, работающими в лабораторных условиях, возможность защиты от влияния неблагоприятной среды (вибрация, пыль, влаж ность, температура).
Сочетание процессов изготовления и измерения, особенно в условиях автоматизированного высокопроизводительного производства, требует автоматизации процесса измерения или во всяком случае такого повышения его производитель ности, чтобы измерения не вызывали простоя оборудования,
.замедления производственного процесса, большой загрузки оператора.
Одним из характерных направлений развития производст венной измерительной техники можно считать стремление максимально устранить вмешательство человека путем авто матизации процесса измерения, обработки и использования его результатов. Если участие оператора неизбежно, то стре мятся по возможности упростить обслуживание измерительных средств, снизить требования к квалификации обслуживающе го персонала. Это объясняется и экономическими соображе ниями, связанными с оплатой квалифицированного труда, а также со стремлением устранить погрешности, вызываемые утомлением оператора, ошибками отсчетов и др. .Кроме того,
в ряде стран отмечается недостаток квалифицированной ра бочей силы.
Требования к измерительным средствам, применяемым в контрольных пунктах и заводских измерительных лаборато риях, не претерпели столь существенных и принципиальных изменений, как к цеховым. Как правило, лабораторные из мерения всегда были и остались более точными и трудоемки ми, чем цеховые, поэтому лабораторные измерительные сред ства в принципе, меньше изменились за последние десятиле-
4
тия [2]. Однако и в лабораторные измерительные средства то же внесено много, иногда достаточно существенных усовер шенствований, направленных на повышение объективности и производительности измерений. Вместо механических уст ройств получили распространение индуктивные и фотоэлект рические приборы и датчики, в качестве мер сравнения при меняются электромагнитные или фотоэлектрические масшта бы. Для обработки результатов измерений, выдаваемых в форме электрических сигналов, используются счетно-решаю щие устройства, чем значительно снижается трудоемкость и повышается производительность вычислений. Многообразие задач измерения и различие организационных форм контро ля, а также экономические причины приводят к тому, что не смотря на появление принципиально новых, и, казалось бы, значительно лучших измерительных средств они не вытеснили полностью традиционные, проверенные десятилетиями, а ино гда и веками, измерительные инструменты и приборы. Эти из мерительные средства продолжают не только выпускаться и использоваться, но и совершенствоваться. За исключением отдельных неудачных, отброшенных практикой конструкций, нельзя назвать какие-либо измерительные инструменты и приборы для линейных измерений, которые полностью исчез ли бы из употребления, вытесненные новыми средствами.
Уменьшается удельный вес калибров в общей массе из мерительных средств, но для малых отверстий жесткие калибры-пробки, изготовляемые с высокой точностью разме ров и геометрической формы, сохраняют свое значение. Ка либры нужны при измерении резьбы, статистическом контроле, обеспечении взаимозаменяемости без существенного умень шения допусков [3, 4]. Поэтому калибры продолжают выпус каться, но совершенствуется технология их изготовления, обеспечивающая высокую точность размеров, формы и каче ства поверхности, применяются более износостойкие мате
риалы.
Не отпадает необходимость и в штангенциркулях, микро метрах, индикаторах часового типа. Пневматика или оптика уживается с электроникой, часто применяются комбиниро ванные устройства, использующие преимущество разных ме тодов измерения и получения измерительного сигнала.
Неизменным является назначение измерительных средств — все они служат для оценки качества, надежности и обеспечения взаимозаменяемости.
2* |
5 |
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ И ПРИБОРЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Номенклатура механических инструментов и приборов очень велика- К ним относятся штриховые и концевые меры, калибры, нутромеры, штангенциркули, высотомеры, глуби номеры, микрометры, индикаторы и другие измерительные головки и т. д., не говоря о специальных измерительных
средствах.
В настоящем разделе будут рассмотрены некоторые из них, а также усовершенствования, внесенные в последние го ды в наиболее распространенные универсальные средства производственных измерений, и приведены некоторые типич ные примеры этих усовершенствований [б].
Калибры. Конструкция жестких калибров не претерпела за последние годы существенных измененийНекоторые фир мы совершенствуют ручки для насадок, облегчают введение калибра с помощью ваходной части.
В серийном производстве калибры применяются при до пусках свыше IT9, особенно для контроля малых отверстий диаметром менее 3 мм и для контроля резьбы. Кроме того, они используются для промежуточного контроля, а также для приемочного и входного выборочного. Преимуществами их применения являются: простота использования; малое время контроля; низкая стоимость; отсутствие погрешностей отсче та и настройки, износостойкость, которой добиваются пу тем применения твердых сплавов или твердых металлов, та ких как Ferro-Tic фирмы Deutsche Edelstahlwerke AG Titanitfabrik. Этот матерал легче твердых сплавов, имеет после за калки твердость HRC 72 и не подвержен деформациям. Хра нение и обслуживание калибров упрощает отсутствие под вижных изнашиваемых частей. Благодаря соблюдению прин ципа Тейлора калибры особенно пригодны для подбора со пряжений, для получения взаимозаменяемых деталей, при функциональном контроле [6, 7].
Недостатками применения калибров являются: появление утомления и ошибок при использовании калибров свыше 100 мм; необходимость иметь для каждого размера и допу ска специальный калибр; сужение общего допуска на изго товление за счет допуска на износ, что не позволяет пол ностью использовать допуск изделия и удорожает производ ство. Кроме того, калибр не выявляет отклонения от цилиндричности, что особенно сказывается, если допустимые отк лонения формы составляют только долю допуска на изготов ление; процесс настройки станков по калибрам очень непро
6
изводителен. Основным недостатком калибров является то, что они могут толыко констатировать факт нахождения раз мера детали в пределах допуска или выход за эти пределы, но не позволяют судить о действительном размере обраба тываемой детали, тенденциях к смещению настройки стан ка и тем самым не позволяют принимать профилактические меры по его подналадке, что в настоящее время считается основной функцией измерительных средств. Поэтому калиб ры как средство измерения непосредственно на станке в зна чительной мере теряют свое значение.
Штангенциркули. Штангенциркуль является одним из старейших измерительных инструментов. Он используется уже около 150 лет. Простота и универсальность делают его незаменимым при мелкосерийном производстве деталей не высокой точности, например, для измерения несопрягаемых размеров.
Органическим1 недостатком штангенциркулей является несоблюдение принципа Аббе. Для уменьшения вводимых из-за этого погрешностей второго рода стремиться укорачи вать губки, уменьшать зазоры между штангой и движком. Но полностью устранить эту погрешность невозможно.
Многое сделано фирмами для уменьшения погрешности от параллакса. Все ведущие фирмы выпускают в настоящее время штангенциркули не с накладным нониусом, а с нониу сом, расположенным параллельно штанге в одной плоскости.
Большие погрешности отсчета по нониусу 1/50 и низкая производительность такого отсчета привели к тому, что боль шинство фирм отказалось от применения этого нониуса для повышения точности отсчета [8].
Около 30 лет тому назад, примерно в 1920 г., появились первые штангенциркули с индикатором. Индикаторы часово го типа до настоящего времени являются наиболее широко применяемым измерительным средством, и естественно, что множество фирм, таких как Tesa (Швейцария), Mauser, Hommel & Keller (ФРГ), Patent und Versuchanstalt (PAV) Va duz (Лихтенштейн), пришли к мысли о возможности их ис пользования для отсчета по штангенциркулям.
Такие штангенциркули выпускаются с ценой деления 0,02 (Tesa) и 0,05; 0,1 мм (PAV). Целью этой конструкции явля ется сокращение времени отсчета и устранение погрешно стей при низкой квалификации измеряющего. Однако пона
добилось 30 лет, чтобы |
эти штангенциркули |
получили бо |
лее или менее широкое |
распространение, но |
даже и теперь, |
когда все больше в производство втягиваются малообучен ные кадры, применение штангенциркулей с круговой шка
3 Зак .9G8 |
7: |
лой хотя и растет, но они используются меньше штангенцир кулей с нониусом. Для определения и сравнения затрат времени на измерение с -помощью штангенциркулей с нониу сом и круговой шкалой было проведено исследование, в ко тором участвовали две независимые группы. В одной группе из 12 человек 9 участников (мастера, механики, контролеры) постоянно пользовались штангенциркулями, а остальные — от случая к случаю. Другая группа состояла из 26 человек, которые имели не менее двух лет практики пользования жест кими измерителями, разный опыт пользования штангенцир кулями, но не знали штангенциркуля с круговой шкалой. Первая группа в данном исследовании пользовалась штан генциркулями фирмы Tesa с круговой шкалой с ценой деле ния 0,02 мм и с нониусом с той же ценой деления. Вторая группа наряду с нониусным штангенциркулем применяла штангенциркуль с круговой шкалой деления 0,1 мм. В первом случае все участники сделали по нескольку отсчетов при раз личных установленных значениях. Во втором случае установ ленные значения были у всех одинаковы. Установка произво
дилась |
с помощью 30-крат-ной лупы. Время |
отсчета колеба |
лось от |
11 до 74 с для нониуса и от 7 до 22 |
с для круговой |
шкалы. |
Для отсчета пяти значений участникам первой груп |
пы понадобилось от 53 до 138 с, а при использовании круго вой шкалы — от 31 до 82 с, что в обоих случаях дает соотно шение 2,6 : 1. Для отсчета по нониусу с ценой деления 0,02 мм (с параллаксом) первая группа затрачивала в среднем 18.8 с, а вторая — 15,1 с. При нониусе с той же ценой деле ния, но без параллакса, время отсчета составило в среднем
13,7 с.
Время отсчета по круговой шкале для различных конст рукций шкал сильно разнилось. Для штангенциркуля фирмы Tesa с ценой деления 0,02 мм среднее в-ремя отсчета состави ло 9,9 с, тогда как отсчет по прибору Hommel & Keller с це ной деления 0,05 мм потребовал в среднем 19,1 с, что объяс няется направлением отсчета против часовой стрелки. При от счете по прибору Mauser с двумя стрелками время отсчета оказалось еще больше: в среднем 21,1 с. Наименьшее время 6.8 с затрачивалось на отсчет по четкой шкале с ценой деле ния 0,1 мм пластмассового штангенциркуля фирмы PAV. Во всяком случае, опыт показал, что наиболее быстрые отсчеты получаются по круговым шкалам с оцифровкой в направле нии часовой стрелки и с одним указателем.
При определении погрешности отсчета для обеих групп частота ошибок отсчета по нониусу была примерно вдвое больше, чем по круговой шкале. Рассеяние отсчетов по но
8