78306

ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Лекция

Производство и промышленные технологии

В настоящее время к техническим измерениям рассматриваемым во взаимной связи с точностью и взаимозаменяемостью в машиностроении относят измерения линейных угловых и радиусных величин. Основные задачи метрологии ГОСТ 16263 установление единиц физических величин государственных эталонов и образцовых средств измерений контроля и...

Русский

2015-02-07

341 KB

2 чел.

13. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

13.1. Общие сведения

Метрология (от греч. «метро» - мера, «логос» - учение) - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и требуемой точности.

Современная метрология включает три составляющие: законодательную метрологию, фундаментальную (научную) и практическую (прикладную) метрологию. Из прикладной метрологии для нужд машиностроения выделяют технические измерения. В настоящее время к техническим измерениям, рассматриваемым во взаимной связи с точностью и взаимозаменяемостью в машиностроении, относят измерения линейных, угловых и радиусных величин. Результаты измерений выражают в узаконенных величинах.

Одна из главных задач метрологии - обеспечение единства измерений - может быть решена при соблюдении двух условий, которые можно назвать основополагающими:

выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах;

установление допускаемых погрешностей результатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.

Основные задачи метрологии (ГОСТ 16263) - установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений, контроля и испытаний, обеспечение единства измерений и единообразных средств измерений, разработка методов оценки погрешностей состояния средств измерения, контроля и испытаний, а также передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средством измерений.

Нормативно-правовой основой метрологического обеспечения точности измерений является Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Основные нормативные документы ГСИ - государственные стандарты.

Принята Международная система единиц (СИ), на основе которой для обязательного применения разработан ГОСТ 8.417.

Главными единицами физических величин в СИ являются семь основных единиц и свыше 50 производных, имеющих специальные названия. Основные единицы: метр - м (длина), килограмм - кг (масса), секунда - с (время),              ампер А (сила тока), кельвин - К (термодинамическая температура), моль (количество вещества) и кандела - кд (сила света). В этой системе, например, единица силы является производной; она называется ньютон - Н и равна приблизительно 0,102 килограмм-сила.

Кратные и дольние единицы образуются умножением на степень числа 10. Им присвоены определенные названия и обозначения; мега М (106),                 кило - к (103), милли - м (10-3), микро - мк (10-6) и др.

Для воспроизведения и хранения единиц величин применяются эталоны, официально утверждаемые в качестве исходных для страны.

Для метра введен световой эталон: 1650763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р10 и 5d5 атома Криптона - 86. Энергетические уровни 2р10 и 5d5 (термин по Меггерсу) соответствуют оранжевой линии спектра излучения изотопа криптона Кг86.

Световой эталон воспроизводится на эталонной установке с погрешностью порядка10-9 м, на два порядка меньшей, чем погрешность воспроизведения метра посредством государственного штрихового эталона метра, представляющего собой платиново-иридиевый стержень Х-образного сечения. Еще большей точностью воспроизведения будет обладать эталон метра как расстояние, проходимое светом за определенный отрезок времени. Вводится новое определение эталона длины, воспроизводимое от лазерного излучения.

Единство измерений поддерживают путем передачи единиц величин от эталона к рабочим средствам измерений, осуществляемой по ступенькам образцовых мер и измерительных приборов, как это показано на принципиальной поверочной схеме (рис.13.1). Точность указанных мер понижается от ступеньки к ступеньке в 2-4 раза.

Средства измерений (СИ) в соответствии с поверочной схемой периодически подвергаются поверке, которая заключается в определении метрологическим органом погрешности средств измерений Δср.изм и установлении их пригодности к применению при условии Δср.изм Δд (допустимой погрешности).

Сеть метрологических органов называется метрологической службой. Деятельность этих органов направлена на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений путем проведения поверки, ревизии и экспертизы средств измерений (ГОСТ 8.002).

Единообразие средств измерений это их состояние, характеризующееся тем, что они проградуированы в узаконенных единицах, а их метрологические свойства соответствуют нормам.

13.2. Основные термины и определения

Основные термины в области метрологии устанавливают  ГОСТ 16504, ГОСТ 16263.

Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных средств измерений.

В результате получают значение физической величины

Q = q·U,

где q - числовое значение физической величины в принятых единицах;

     U - единица физической величины.

Значение физической величины Q, найденное при измерении, называют действительным. Измерение может быть как частью промежуточного преобразования в процессе контроля, так и окончательным этапом получения информации при испытаниях.

Технический контроль (ТК) - проверка соответствия объекта установленному техническому условию (ТУ). ТК с совокупностью основных элементов (объект, средство контроля, исполнитель, нормативная документация) функционирует как единая система технического контроля (СТК). Выполнение функции СТК сводится к осуществлению двух основных этапов:

1) получение информации о фактическом состоянии некоторого объекта, о признаках и показателях его свойств. Эту информацию можно назвать первичной, получаемой измерением;

2) сопоставление первичной информации с заранее установленными требованиями, нормами, критериями, т.е. обнаружение соответствия или несоответствия фактических данных требуемым (ожидаемым). Информацию о рассогласовании (расхождении) фактических и требуемых данных можно назвать вторичной, находящейся в сфере технического контроля.

Рис. 13.1. Принципиальная поверочная схема средств измерений

В ряде случаев граница во времени между первым и вторым этапами неразличима. В таких случаях первый этап может быть выражен нечетко или может практически не наблюдаться. Характерным примером является контроль размера калибром, сводящийся к операции сопоставления фактического и предельного допускаемого значения размера.

Выполнение функций СТК и управления технологическими процессами в современном машиностроении непрерывно связано с решением проблемы автоматизации производства.

Испытания - экспериментальное определение количественных и качественных характеристик свойств объекта испытаний к результатам воздействия на него, при его функционировании, при моделировании объекта и воздействий. К числу воздействий, используемых с целью проведения испытаний, можно отнести факторы внешней среды, а также воздействия, возникающие внутри объекта. Осуществление воздействий при испытаниях, в отличие от контроля, имеет целью определение характера и степени изменений объекта испытаний, возникающих в связи с этими воздействиями. По виду воздействия различают испытания: радиационные, электромагнитные, магнитные, биологические, климатические, химические, механические, пневматические. Разновидность испытания, проводимого для контроля качества объекта, называют контрольным испытанием.

Техническое диагностирование - процесс определения технического состояния объекта диагностирования с определенной точностью (по              ГОСТ 20911). Результатом диагностирования (технического диагноза) является заключение о техническом состоянии объекта с указанием при необходимости места, вида и причин дефекта.

13.3. Стандартизация в системе технического контроля и измерения

Основными объектами стандартизации СТК и измерения являются:

общие положения, методология, технические средства, организация и управление. Причем в каждом объекте предусматриваются стандарты на терминологию, классификацию, отдельные элементы, отдельные системы и подсистемы. Вид стандартов «Общие положения» необходим для увязки стандартов и методических материалов по СТК. В состав стандартов этого класса входят документы на основные термины и определения СТК, стандарты и методики по проектированию общего характера, экономическая эффективность СТК, формы документов.

Вид стандартов «Организация и управление» необходим для обеспечения наиболее экономичных форм организации СТК. В состав стандартов этого направления входят документы на термины и определения по организации и управлению СТК, классификации СТК и ее элементов, стандарты ЕСТПП по разделу «Технический контроль», а также стандарты на организационные формы СТК, структуру функционирования и управления, методы и процессы управления СТК. В этот же класс входят стандарты информационного и математического обеспечения, которые разрабатываются и предназначены для автоматизированных систем технического контроля. Математическое обеспечение СТК будет включать программы и алгоритмы задач СТК.

Вид стандартов «Метрология» необходим для оснащения СТК типовыми методами и процессами контроля на базе статистического и неразрушающего контроля. Стандарты на классификацию и терминологию должны охватывать объекты, методы, процессы и операции технического контроля, а также номенклатуру контролируемых параметров. Стандарты методик измерения Государственной системы обеспечения единства измерений должны быть использованы при стандартизации методов и процессов технического контроля.

Вид стандартов «Технические средства» необходим для установления требований к средствам контроля и их элементам, используемым материалам и комплексам взаимосвязанных технических средств и систем. Стандарты на терминологию, классификацию и номенклатуру технических средств должны охватывать универсальные контрольные инструменты и приборы, специальные контрольные приспособления и оборудование, а также контрольные образцы продукции, средства механизации и автоматизации процессов технического контроля и инженерно-технических работ, средства получения, передачи и обработки информации в СТК, а также вспомогательное оборудование, инструмент и материалы.

Вид стандартов «Основополагающие принципы контроля и измерения» необходим для соблюдения следующих принципов: стандартизации, системности, оптимальности, динамичности, автоматизации, преемственности, адаптации и организации.

Принцип системности заключается в том, что при создании ТК процессы планирования, исследования и проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта рассматривают во взаимосвязи.

Взаимосвязь элементов в ТК должна быть однозначно описана и максимально формализована. К практическому решению всех задач ТК необходимо подходить с позиций системотехники (теории больших систем). При изучении связей между элементами и выделении элементов ТК такой подход приводит к необходимости учитывать только основные и наиболее устойчивые связи, что позволяет строить структуры элементов и связей в их строгой зависимости и переходить от рассмотрения ТК к построению и изучению систем технического контроля (СТК).

При построении СТК с позиций системного подхода предусматривают:

структурное и функциональное описание системы и выявление всех основных элементов и связей между ними;

моделирование систем;

квантификацию системы (построение количественных зависимостей для связей и количественных характеристик элементов систем).

Принцип стандартизации состоит в том, что основные функции, задачи и требования к системе СТК типизируются, унифицируются и обеспечиваются государственными и отраслевыми стандартами и техническими условиями. Стандарты являются базой системы, и обязательность их требований обеспечивает автоматизм в функционировании системы. С помощью стандартов внедрение отдельных элементов системы выполняют одновременно во всех подразделениях промышленного предприятия.

Принцип оптимальности предполагает, что каждый элемент СТК имеет оптимальный уровень, а сама система обеспечивает решение поставленных задач при минимальных затратах на ее разработку и максимальном эффекте от ее функционирования

Принцип динамичности заключается в том, что в СТК должна быть предусмотрена возможность ее непрерывного совершенствования и развития с учетом требований технического прогресса. Принцип динамичности обеспечивается при создании СТК за счет открытой структуры, планомерного обновления ее подсистем и элементов.

Принцип автоматизации предусматривает максимальное использование средств вычислительной техники в системе технического контроля, включая автоматизацию технологических процессов и операций технического контроля, а также труда инженерно-технического управленческого персонала.

Принцип преемственности применяют в каждой конкретной разработке СТК; принцип состоит в максимальном использовании всех имеющихся возможностей (ресурсов) предприятия и передового опыта разработки СТК на предприятиях машиностроения и приборостроения с учетом специфики производства и отрасли.

Принцип адаптации заключается в разработке и введении в СТК элементов, обеспечивающих быструю приспособляемость СТК к специфике объектов контроля в условиях периодически изменяющихся видов выпускаемой продукции.

Принципы организации технического контроля:

соответствие контроля уровню техники, технологии и организации основных производственных процессов;

комплексность контроля (предполагает необходимость охвата контролем всех элементов производственного процесса и всех факторов, определяющих качество продукции в ходе ее изготовления);

непрерывность (требует организации постоянного контроля на технологических операциях изготовления продукции и ликвидации каких-либо перерывов между операцией обработки и контроля);

параллельность в проведении операций ТК и операций обработки в целях сокращения времени на пролеживание изделий в ожидании контроля и сокращения длительности производственного цикла за счет уменьшения затрат времени на ТК;

совмещение производственных и контрольных функций или передача ряда операций контроля под ответственность рабочих, мастеров и бригадиров;

профилактичность, т.е. предупреждение появления дефектных изделий в процессе производства;

независимость органов контроля от производственных служб и подразделений;

организация бездефектного труда;

экономичность, основанная на минимизации затрат на контроль.

На предприятиях, внедряющих системы управления качеством продукции, ведутся работы по стандартизации СТК и ее элементов с учетом требований нормативной документации - ЕСКД, ЕСТД, ЕСТПП. При стандартизации системы технического контроля предусматривается функционирование автоматических и автоматизированных СТК.

В настоящее время в системе технического контроля, измерений испытаний действует более 3000 государственных стандартов.

13.4. Средства измерений

Средства технических измерений подразделяются на три основные группы: меры, калибры, универсальные средства измерения (измерительные приборы, контрольно-измерительные приборы (КИП) и системы).

Мера представляет собой средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Сюда относятся плоскопараллельные меры длины (плитки) и угловые меры.

Калибры представляют собой устройства, предназначенные для контроля и нахождения в заданных границах размеров, взаимного расположения поверхностей и формы деталей. К ним относятся, например, гладкие предельные калибры (скобы и пробки), резьбовые калибры (резьбовые кольца или скобы, резьбовые пробки) и т.п.

Измерительный прибор - устройство, вырабатывающее сигнал измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительной системой называется совокупность средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи. Она (система) предназначена для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматизированной обработки, передачи или использования в автоматических системах управления.

Универсальные средства измерения предназначены для определения действительных размеров. Этим они и отличаются от калибров, позволяющих убедиться лишь в том, что размер лежит в заданных пределах. Любое универсальное измерительное средство характеризуется назначением, принципом действия, т. е. физическим принципом, положенным в основу его построения, особенностями конструкции и метрологическими характеристиками.

К основным метрологическим характеристикам универсальных средств измерений относятся следующие:

номинальное значение однозначной меры ун;

цена деления равномерной шкалы измерительного прибора (рис.13.2,        C = j):                                                 j = xi+1 - xi,

где xi и xi+1 - значения измеряемой величины, соответствующие двум соседним отметкам шкалы;

пределы шкалы xнщ и xкш измерительного прибора, характеризующие диапазон измерений по шкале,

Rш = xкш - xнщ,

причем в некоторых случаях пределы измерения прибора xнп и xкп отличаются от пределов шкалы, и диапазон измерений составляет

Rп = xкп - xнп;

Рис. 13.2. Метрологические характеристики средств измерений:

а - цена деления, диапазон измерений и длина (интервал) деления шкалы;

б - передаточное отношение прибора

характеристики: погрешность Δср.изм средства измерения и предел Δд допускаемых значений измеряемой величины. Соотношение между Δд и j различных приборов лежит в пределах Δд / j = kj =1,5 при kj равном единице, достоверность отсчета по наименьшим делениям шкалы будет минимальной;

длина (интервал) деления шкалы - расстояние между осями двух соседних отметок шкалы;

чувствительность прибора - отношение изменения сигнала на выходе прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины;

при линейных измерениях, как правило, эти две величины выражаются в одинаковых единицах, а поэтому чувствительность прибора соответствует передаточному отношению

u = tук / Sст,

где tук - перемещение указателя (стрелки, луча света) или шкалы при неподвижном указателе; Sст - изменение измеряемой величины (перемещение измерительного стержня контактных приборов).

Главным метрологическим (эксплуатационным) показателем прибора, как и любого средства измерений, является его точность, количественно характеризуемая погрешностью Δ. Рассеивание погрешности измерения зависит от цены деления функциональных шкал измерительных приборов, поделенных на аналоговые и цифровые.

Аналоговые измерительные приборы рассматривают как устройство, отображающее множество возможных значений измеряемых величин x в множестве элементов функциональной шкалы прибора. Значения шкалы j наносятся в виде меток на отрезок дуги или прямой, а результат измерения хi определяется положением подвижного указателя относительно шкалы. Множество классов эквивалентности измерений определяется соотношениями (ji - Δj)х < (ji + Δj), где Δj равно половине расстояния между соседними метками шкалы хi и xi + 1 (предполагается, что шкала равномерная).

При использовании цифровых измерительных приборов результат измерения получается в виде некоторого n - разрядного числа, , которое соответствует измеряемой величине х, заключенной в интервале (ji - 0,5)х < (ji + 0,5). Множество возможных значений х разбивается на 10n классов эквивалентности, каждый из которых характеризуется соответствующим ему образом ji  из множества чисел (0, 1, 2, ..., 10n).

13.5. Методы и погрешность измерения

Методы измерения. При измерениях используют разнообразные методы (ГОСТ 16263), представляющие собой совокупность приемов использования различных физических принципов и средств.

Измерения подразделяются на шесть методов:

прямые (искомое значение - непосредственно из опытных данных);

косвенные (на основании зависимости между искомой и полученной при прямом измерении величинами);

совокупные (одновременные измерения одноименных величин, среди которых есть известные);

совместные (одновременные измерения неодноименных величин для нахождения зависимости между ними);

абсолютные (прямые измерения основных величин и с использованием физических констант);

относительные (по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную).

Каждый из методов измерений подразделяют на семь внутренних видов.

При измерительном контроле линейных и угловых величин применяют главным образом прямые измерения, реже встречаются относительные и косвенные измерения.

При измерительном контроле линейных и угловых размеров в промышленности используют в основном методы непосредственной оценки и сравнения с мерой, причем последний доминирует при точных измерениях сравнительно больших размеров. Для грубых измерений используют штангенинструменты, работающие по методу совпадений. Дифференциальным методом пользуются при проверке и аттестации образцовых мер длины.

Для повышения точности измерений измеряемый размер детали стремятся расположить последовательно на одной прямой с измеряющим элементом прибора и шкалой, предназначенной для отсчетов (принцип Аббе).

Погрешность измерения. Способы выражения погрешностей измерения Разработаны рекомендации, на основе которых с участием представителей ИСО, МЭК опубликован документ «Руководство для выражения неопределенности в измерениях. Термины и определения», предназначенный для использования в практике метрологических служб. В нем дано толкование понятиям “погрешность измерений” и “неопределенность измерений".

Под погрешностью измерения как характеристикой точности подразумевают отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Точность измерения - свойство качества измерения, отражающее близость его результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность измерения может быть выражена величиной, обратной погрешности измерения, которую называют мерой точности.

Неопределенность измерений - это параметр, характеризующий рассеяние результатов измерений в серии вследствие влияния случайных и не исключенных систематических погрешностей в виде оценок средней квадратической погрешности измерений или доверительных границ погрешности измерений.

13.6. Универсальные средства технических измерений

Механические измерительные приборы и инструменты. Механические измерительные приборы и инструменты подразделяют на пять разновидностей: бесшкальные инструменты, штангенинструменты, измерительные головки, микрометрические инструменты, зубчато-рычажные приборы.

Бесшкальные инструменты. К ним относятся лекальные и поверочные линейки (ГОСТ 8026), предназначенные для контроля отклонений от прямолинейности на просвет или посредством щупа с собственным отклонением от прямолинейности от 0,6 (класс 0; 50 мм) до 3 мкм (класс 1; 500 мм); синусные линейки (ГОСТ 4046) для косвенных измерений наружных углов до 45° с погрешностью от +5" до ±15"; шаблоны с выпуклым и вогнутым радиусами (ГОСТ 4126) для контроля на просвет с предельными отклонениями от +20 до +40 мкм; щупы (ГОСТ 882) для контроля зазоров по вхождению лезвий разных толщин; угольники поверочные 90° (ГОСТ 3749) для контроля прямых углов на просвет; поверочные плиты (ГОСТ 10905) для контроля отклонений от плоскостности по краске; образцы шероховатости поверхности (ГОСТ 9378) для визуального контроля шероховатости поверхности деталей.

Штангенинструменты. Штангенинструмент представляет собой две измерительные поверхности (губки), между которыми устанавливается размер, одна из которых (базовая) составляет единое целое с линейкой (штангой), а другая соединена с двигающейся по линейке рамкой. На линейке наносятся через 1 мм деления, на рамке устанавливается или гравируется нониус. В целях повышения надежности штангенинструменты изготовляют из материалов, не подвергающихся коррозии с высокой износостойкостью, для чего используют закаленные стали, хромирование и армирование рабочих поверхностей твердым сплавом. Выпускают несколько видов и типоразмеров с размером отсчета 0,05 и 0,1 мм.

В зависимости от назначения и конструктивных особенностей штангенинструменты разделяют на штангенциркули для измерений наружных и внутренних размеров; штангенглубиномеры для измерений глубин пазов и высот уступов; штангензубомеры для измерений толщины зуба шестерни; угломеры с нониусом для измерений наружных и внутренних углов.

Измерительные головки. Под измерительной головкой понимают механические отсчетные устройства, преобразующие малые перемещения измерительного наконечника в большие перемещения стрелки и имеющие шкалу, по которой отсчитывают величины перемещения наконечника.

В качестве отдельного прибора эти головки не используют, их устанавливают в устройствах для отсчета перемещений. Поэтому измерительные головки еще называют «отсчетными головками». Головки при измерении устанавливают в универсальные приспособления - штативы и стойки.

По принципу действия измерительные головки подразделяют на пружинные (ГОСТ 6933); рычажно-зубчатые (ГОСТ 18833; ГОСТ 9696) и рычажные. Измерительные головки устанавливают на стойки или штативы (ГОСТ 10197).

Пружинными измерительными головками называют головки, в которых передаточным механизмом являются упругие элементы (пружина плоская или свернутая, торсионный вал) и используются их упругие свойства. Стандартизованы измерительные головки с механизмом в виде свернутой пружины. На базе пружинного механизма головки изготавливают в основном четырех видов: головки пружинные (микрокаторы); головки измерительные пружинно-оптические (оптикаторы); головки измерительные пружинные малогабаритные (микаторы) и головки измерительные рычажно-пружинные (миникаторы).

К рычажно-зубчатым головкам относят: головки с зубчатым механизмом (индикатор часового типа); рычажно-зубчатые индикаторы с изменяемым положением измерительного рычага относительно корпуса для измерений отклонений формы и расположения; многооборотный индикатор для относительных измерений наружных размеров; скобы с отсчетным устройством - рычажная и индикаторная скобы; индикаторный глубиномер; индикаторный толщиномер для измерений толщин; индикаторный нутромер и нутромеры с ценами делений 1 и 2 мкм; рычажно-зубчатые измерительные головки осевого и бокового действия - для относительных измерений наружных размеров и отклонений формы и расположения; устройство информационно-измерительное цифровое со струнным преобразователем для измерения линейных размеров.

Микрометрические инструменты. У микрометров измерительным элементом служит шпиндель, имеющий резьбу с точным шагом. Осевое перемещение шпинделя для полных оборотов отсчитывается при помощи штрихов, нанесенных на стебле, а для отсчета долей оборота служат радиальные штрихи, нанесенные на барабане микрометра.

Форма исполнения микрометра различна и в основном зависит от конструкции его корпуса (скобы), который, собственно, и носит название измерительного инструмента. Шаг резьбы шпинделя для метрических микрометров равен 0,5 или 1 мм. У микрометров с шагом 0,5 мм измерительный барабан имеет 50 штриховых делений. У микрометров с шагом 1 мм барабан имеет 100 штриховых делений, чтобы можно было отсчитать 0,01 мм. Длина шпинделя рассчитывается исходя из пределов измерения по шкале инструмента 25 мм. Избегают применения шпинделей большой длины вследствие трудности выполнения микровинтов с точным шагом по всей их длине.

Барабан или гильза могут переставляться, поэтому микрометр может легко устанавливаться на ноль. Гайка шпинделя обычно регулируется. Для жесткой установки измерительного шпинделя служит зажимное устройство. Чтобы всегда измерять с одним и тем же усилием, измерительный шпиндель снабжен храповиком или фрикционной муфтой (трещоткой). Микрометрический измерительный инструмент может быть встроен в различного вида скобы, измерительные приборы, приспособления.

К микрометрическим инструментам относят ручные микрометры, микрометрические глубиномеры и нутромеры (ГОСТ 6507; ГОСТ 4380; ГОСТ 7470); головки микрометрические (ГОСТ 6507); микрометры настольные; микрометры рычажные (ГОСТ 4381); микрометры окулярные.

Микрометры для наружных измерений имеют скобу, размер которой соответствует измеряемой длине и изменяется ступенями через 25 мм.

Микрометры для внутренних измерений выполняют с губками или в виде штихмассов. Микрометрические штихмассы имеют на обоих концах закругленные измерительные поверхности, которые прилегают к изделию только в одной точке. Они снабжаются удлинителями (от 25 мм) с интервалом 25 мм так, что один микрометрический инструмент с набором удлинителей имеет большие пределы измерения (от 100 до 500 мм). Для измерения глубин и уступов служат микрометрические глубиномеры, у которых микрометрическая головка установлена в траверсе, контактирующая плоская поверхность которой расположена перпендикулярно оси.

Оптические приборы. Действие оптических (оптико-механических) приборов основано на использовании световой энергии. С помощью приборов, дающих действительное изображение предмета и имеющих в плоскости изображений пластинки с делениями или перекрестием, можно производить измерения двояким путем.

1. Оптическая система вместе с жестко с ней связанной штриховой пластинкой может перемещаться относительно предмета. Точность визирования в основном обусловливается увеличением, даваемым микроскопом. Величина перемещения измерительного прибора равняется измеряемому размеру изделия. Погрешность при измерении этого перемещения входит целиком в результат измерения. Определение масштаба изображения в этом случае необязательно.

2. Оптическая система неподвижна; штриховая пластина либо перемещается в плоскости изображения предмета относительно самого изображения, либо имеет шкалу. Средством измерения является оптическая система.

Точность визирования (контакта) с измеряемой поверхностью та же, что и в первом случае. Величина перемещения штриховой пластинки соответствует размерам действительного изображения. Следовательно, в результат измерения входит погрешность масштаба изображения, поэтому она должна быть точно известна, а изображение строго подобно предмету. Для этого целесообразно применять телецентрический ход лучей.

Оптические приборы подразделяют на три разновидности:

1) приборы с оптическим способом визирования с измеряемой поверхностью и механическим измерением перемещения точки визирования;

2) приборы с механическим соприкосновением с контролируемым изделием и оптическим измерением перемещения точки соприкосновения;

3) приборы с оптическим устройством для наблюдения контролируемого изделия и оптическим измерением перемещения точки визирования.

1. К приборам первой разновидности относят инструментальные микроскопы и проекторы.

Микроскопы инструментальные предназначены для измерения наружных и внутренних линейных и угловых размеров изделий в прямоугольных и полярных координатах (ГОСТ 8074). Они состоят из головки главного микроскопа и приспособления, с помощью которого либо сама головка, либо контролируемое изделие могут перемещаться в одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Во многих конструкциях микроскопов окулярная штриховая пластинка может вращаться, что позволяет производить, кроме линейных, и угловые измерения.

Величина перемещения измерительного стола определяется с помощью окулярного микрометра, концевых мер или штриховой меры. Отсчеты по шкалам чаще всего производят с помощью отсчетных окуляров с неподвижными делениями.

Инструментальные микроскопы используют чаще всего непосредственно на рабочих местах, а также для измерения параметров резьбы. Изготовляют в основном двух видов: малая модель - ММИ и большая модель - БМИ, которые различаются диапазоном измерения.

Прибор ММИ имеет диапазон измерения 75 мм в продольном направлении и 25 мм в поперечном. Величина отсчета по микропаре 0,01 мм. При размере свыше 25 мм используют концевые меры длины. Прибор БМИ имеет диапазон измерения до 150 мм в продольном направлении и 50 мм в поперечном. Величина отсчета на микропаре 0,005 мм, что достигается в основном увеличением диаметра барабана микропары. Появились микроскопы, у которых микропара снабжается импульсными устройствами с цифровым отсчетом.

Проектором в машиностроении называется оптический прибор, в котором оптическое устройство формирует изображение измеряемого объекта на рассеивающей поверхности, служащей экраном (ГОСТ 19795). Проектор служит для контроля и измерения изделий, имеющих сложный контур (профильные шаблоны). С помощью отраженного света можно измерять также контуры заточек, канавок, расстояние между центрами нескольких отверстий. Различают:

контроль увеличенного действительного изображения, спроектированного на экран или матовое стекло;

измерение с помощью координатного измерительного стола и измерительного перекрытия на экране.

В первом случае необходимы объектив с телецентрическим ходом лучей и плоскостность изображения; масштаб изображения должен быть отъюстирован на расстояние экранобъектив. Поэтому увеличенный профиль сравнения (эталонный образцовый чертеж) должен лежать строго в плоскости проекционного экрана; чертеж не должен быть покрыт стеклянной пластинкой, так как иначе изменяется оптическая длина пути.

Необходим контроль масштаба изображения, который производится путем измерения проекционного изображения с помощью точной шкалы. При необходимости увеличения меняют объектив и производят подгонку телецентрического хода лучей от осветителя.

Во втором случае предмет перемещают в прямоугольной системе координат; оптическая система является только средством визирования. Не требуется точной юстировки масштаба изображения, так как она лишь повышает точность измерения или визирования.

2. Приборы второй разновидности основаны на получении автоколлимационного изображения. Автоколлимацией называется ход световых лучей, при котором они, выйдя из некоторой части оптической системы параллельным пучком, отражаются от плоского качающегося зеркала и проходят систему в обратном направлении. К этим приборам относят: оптиметр вертикальный и горизонтальный; оптический длиномер вертикальный и горизонтальный; интерферометр; измерительную машину; гониометр. Приборы этой группы применяют для измерения методом сравнения с установочной мерой (размер концевых мер длины) или сравнением размера со шкалой, встроенной непосредственно в прибор.

Оптиметр - прибор для измерения линейных размеров сравнением с мерой, преобразовательным элементом в котором является рычажно-оптический механизм. Непосредственно измерительной головкой в этом приборе является трубка оптиметра, которая бывает окулярного или проекционного (экранного) типа. В трубке окулярного типа наблюдатель смотрит в окуляр и отсчитывает значения размера по шкале, а в трубке проекционного типа отсчет производится на экране.

Оптиметры изготовляют в двух вариантах: вертикальные - с вертикальной линией измерения и горизонтальные - с горизонтальной линией измерения. Вертикальный оптиметр предназначен для контактных измерений при контроле наружных линейных размеров методом сравнения измеряемого изделия с концевыми мерами, калибрами или деталями-образцами. Горизонтальный оптиметр предназначен для тех же целей, но позволяет, кроме измерений наружных размеров проводить измерения внутренних размеров.

Стол горизонтального оптиметра может совершать ряд линейных и угловых перемещений, позволяющих проводить точную установку детали по линии измерения. Как вертикальные, так и горизонтальные оптиметры выпускают с отсчетом в окуляре или на проекционном экране (ОВО-1, ОВЭ-02, ОВЭ-1).

Оптический длиномер прибор для измерения линейных размеров сравнением со значением по шкале, встроенной в этот прибор и перемещающейся вместе с измерительным стержнем. Дробные значения отсчитываются по шкале с помощью нониуса, встроенного в специальный окулярный или проекционный микроскоп.

В зависимости от конструкции стоек, в которых устанавливают длиномеры, они, как и оптиметры, бывают вертикальные и горизонтальные (ИЗВ-1; ИЗВ-2; ИЗВ-3). Горизонтальные длиномеры делят на группы в зависимости от их назначения.

Длиномеры на горизонтальных стойках типа ИЗВ предназначены для тех же целей, что и горизонтальные оптиметры, но измерения здесь ведут непосредственно прямым методом, без применения установочных мер длины. Горизонтальный длиномер типа ИКУ-2 предназначен для измерения наружных и внутренних линейных и угловых размеров в прямоугольных и полярных координатах.

Длиномеры и измерительные машины относят к группе приборов, предназначенных для измерения больших длин по одной оси координат.

Погрешность измерения длиномером зависит от измеряемого размера и температурных условий. При рекомендуемых условиях измерения погрешность измерения составляет от 1,5 до 3 мкм при использовании только шкалы длиномера. При измерении методом сравнения с концевыми мерами длины первого класса погрешность составляет от 1,5 до 2,5 мкм.

Гониометры служат для измерения углов бесконтактным методом с помощью автоколлиматора непосредственно по лимбу. Гониометры выпускают следующих типов: ГС-1, ГС-2, ГС-5, ГС-10, ГС-30 с ценой деления 1; 2; 5; 10 и 30" соответственно и погрешностью измерения любого угла одним приемом из трех наведений и отсчетов на любом участке лимба соответственно 1; 2; 5; 10 и 30". Серийно выпускают гониометры типов ГС-1М, ГС-5, ГС-10 и, ГС-30.

Принципиальная схема устройства гониометров в основном одинакова. В основании прибора на опорах неподвижно установлена ось вращения прибора, на которую крепятся лимб, алидада и предметный столик. Лимб может вращаться совместно со столиком или совместно с алидадой. Алидада имеет отсчетное устройство и колонку со зрительной трубой, к которой прилагаются автоколлимационные окуляры.

Отсчетное устройство представляет собой оптический микрометр. У большинства гониометров на основании неподвижно укреплена колонка с установленным на ней коллиматором. Коллиматор служит для измерения углов и других различных оптических измерений.

Более точным и усовершенствованным прибором является гониометр-спектрометр ГС-1М. Серийно выпускаемые образцы имеют предел допускаемой погрешности измерения углов +2".

Диаметр делительной окружности лимба составляет 412 мм, цена деления лимба 10", цена деления шкалы оптического микрометра 0,5" диаметр предметного столика 150 мм.

Гониометры поверяют по ГОСТ 13419.

Оптические делительные головки (ОДГ). Головки предназначены для проведения угловых измерений и делительных работ. Выпускают делительные головки следующих типов: ОДГЭ-1, ОДГЭ-2, ОДГЭ-5.

Принцип действия ОДГ основан на сравнении контролируемых угловых величин с углами поворота их шпинделя, отсчитываемыми по точному лимбу. Основными деталями головки являются оптический лимб и шпиндель. Лимб неподвижно укреплен на шпинделе внутри корпуса. Шпиндель вращается в подшипниках, закрепленных в корпусе головки. В нижней части корпуса головки расположен червяк, сцепляющийся с червячным колесом, закрепленным на шпинделе. Установленные углы отсчитывают с помощью отсчетного микроскопа.

ОДГ могут быть использованы как технологическое приспособление для поворота изделий на заданный угол при легких работах на металлорежущих станках.

Делительные головки поверяют по ГОСТ 8.046.

Интерферометр - измерительный прибор, работа которого основана на интерференции света. Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они только способами получения так называемых когерентных пучков света, т.е. таких складываемых пучков, которые обладают постоянством разности фаз: при их сложении определяется амплитуда суммарных колебаний.

Контактные интерферометры предназначены для измерения наружных размеров с использованием стеклянных пластин (ГОСТ 2923).

Диапазон измерения вертикального интерферометра до 150 мм, горизонтального - до 500 мм.

Погрешность измерения вертикальными интерферометрами при использовании концевых мер длины второго разряда составляет от 0,25 до 0,4 мкм. Эти интерферометры чаще всего используют для аттестации концевых мер длины на третий разряд.

Измерительная машина - прибор для измерения линейных размеров сравнением со шкалой, встроенной неподвижно в этот прибор, с отчетом дробных значений с помощью дополнительной шкалы, перемещающейся вместе с одним измерительным наконечником и по трубке оптиметра (тип ИЗМ-1, 2, 4, 6). Принципиальное построение машины аналогично оптическому длиномеру, т. е. имеется шкала с большим интервалом, который делится с помощью дополнительной шкалы, и устройство для отсчета значений с ценой деления 0,001 мм. Измерительные машины предназначены в основном для измерения больших размеров (более 1000 мм) и относятся к горизонтальному типу. Измерения на машине производятся непосредственным методом или методом сравнения с мерой. При измерении методом сравнения с мерой отсчитывается отклонение от настроенного размера с использованием шкалы трубки оптиметра.

Применяют измерительные машины в основном для аттестации больших концевых мер длины и очень часто для определения размера микрометрических нутромеров после их сборки.

Технические характеристики задаются интервалом размера в общем диапазоне до 10000 мм. Погрешность измерения размеров до 500 мм на машинах методом сравнения с мерой в пределах от 0,4 до 2 мкм. При измерении методом непосредственной оценки, т. е. с использованием всех шкал, погрешность измерения при рекомендуемых условиях составляет от 1 до 20 мкм.

3. Основными представителями третьей разновидности оптических приборов являются универсальный микроскоп и универсальный измерительный микроскоп (УИМ). К этому виду приборов относятся и бесконтактные интерферометры.

Универсальным микроскопом называется оптический прибор для измерения линейных и угловых размеров в плоскости с визированием измеряемых точек или линий с помощью микроскопа и отсчетом значений размера по оптическим шкалам.

УИМ представляет собой двухкоординатную измерительную машину (КИМ). Если в КИМ определяется размер только в одном направлении, то в УИМ измерения производятся и в перпендикулярном направлении. Положение продольных и поперечных салазок определяется по стеклянным шкалам с помощью отсчетных микроскопов, снабженных окулярами со спиральным нониусом. При измерении резьб для повышения точности часто используют измерительные ножи.

УИМ имеет диапазон измерений в продольном направлении 200 мм, в поперечном - 100 мм. Цена деления отсчетных линейных устройств 0,001 мм, а угломерного устройства 1'. Изготовляют микроскопы для измерения размеров до 500 мм по продольной шкале и 200 мм - по поперечной. Отсчет размеров может производиться по проекционному устройству (экранный). В некоторых проекционных микроскопах имеется цифровой отсчет размера. Приборы обычно снабжаются всевозможной оснасткой для проведения различных измерений, поэтому они и называются универсальными.

13.7. Автоматизация процессов измерения и контроля

Средства автоматизации и механизации контроля

К средствам начального уровня стандартизации, автоматизации и механизации контроля размеров относятся приспособления, в которых операции загрузки и съема осуществляются вручную. Действие автоматизированных приспособлений основано на использовании различного рода измерительных преобразователей. Измерительный первичный преобразователь - это средство измерения, предназначенное для выработки сигнала в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения. Измерительный преобразователь как составной элемент входит в датчик, который является самостоятельным устройством, и, кроме преобразователя, содержит измерительный шток, рычаг с наконечником, передающий механизм, элементы настройки. Наибольшее распространение получили измерительные средства со следующими преобразователями: функциональные узлы к управляющим приборам, индикаторы контакта, электроконтактные, пневмоэлектроконтактные, пневматические, фотоэлектрические, сортировочные, механотронные, индуктивные, электронные реле, лазерные измерители перемещений.

Блоки управления являются отсчетно-командным устройством, выдающим в соответствующей цепи соответствующие управляющие команды.

Устройства активного контроля и самонастраивающиеся контрольные системы 

Обработка деталей при использовании таких систем проводится методом пробных проходов с управлением по программам, с помощью активных измерительных устройств.

При обычном  методе пробных проходов станок останавливается между двумя технологическими операциями, деталь измеряется. Из-за протяженности штучного времени tш станок работает только в течение основного технологического времени tо, и отношение to/tш всегда меньше единицы.

Метод управления обработкой деталей по программе характеризуется тем, что станок налаживается один раз, а затем в процессе работы подналаживается. Контроль осуществляется выборочным путем или с помощью контрольного автомата, включаемого в технологический процесс после обработки на станке. Отношение to/tш уменьшается с уменьшением времени наладки, которое зависит от величины допуска и износа инструмента. Отношение to/tш становится еще более благоприятным при использовании активных измерительных устройств.

С помощью активных измерительных устройств после достижения предписанных размеров вручную или автоматически станок отключается. Время измерения и основное время совпадают, исключается время пуска и остановки, на изделие назначаются более узкие допуски. Повышается производительность обработки без снижения качества, сокращается вспомогательное время на остановку станка для измерения детали и возрастает возможность многостаночного обслуживания. Повышается качество изделий от автоматического поддержания заданных режимов обработки. Облегчается труд, снижается квалификация и создаются безопасные условия работы станочника.

Основная область применения приборов активного контроля - это массовое и серийное производство.

Устройствами активного контроля называются средства, предназначенные для измерения деталей в процессе обработки их на станке, в результате чего получают информацию о необходимости изменения режимов обработки, или об изменении взаимного расположения заготовки и режущего инструмента, или о необходимости прекращения процесса обработки. Название «активные» эти средства измерения получили из-за того, что они непосредственно участвуют в технологическом процессе изготовления продукции, а не пассивно фиксируют ее качество после окончания изготовления.

Устройства активного контроля должны иметь большое передаточное отношение, малую погрешность измерения, должны быть нечувствительны к шлифовальной пыли, колебаниям, сотрясениям, средствам охлаждения при обработке, просты и удобны в обслуживании. Управление автоматическими станками, агрегатами и линиями должно быть удобным.

Измерение должно осуществляться или во время обработки, или между подачами, но на вращающихся или перемещающихся изделиях.

Приборы активного контроля по основным видам делятся в зависимости от места использования, от вида обрабатывающих станков, по способу выдачи измерительной информации, по воздействию на технологическое оборудование.

В зависимости от места использования приборы активного контроля разделяются на приборы, устанавливаемые непосредственно на станке, и приборы, устанавливаемые вне станка. Приборы, устанавливаемые на станке, обычно управляют режимами резания и выдают команды на остановку станка при достижении требуемых размеров. Приборы, устанавливаемые вне станка, измеряют деталь после обработки и дают команду на подналадку станка (т.е. необходимо изменить взаимное положение инструмента и заготовки). Чаще всего приборы, устанавливаемые вне станка, называют подналадчиками. По своей принципиальной схеме подналадчики близки к контрольным автоматам.

В зависимости от вида обрабатывающих станков приборы разделяются на приборы для круглошлифовальных, плоскошлифовальных станков. Наибольшее применение приборы активного контроля получили на шлифовальных станках, так как на этих станках размер изменяется медленно и есть возможность непрерывно следить за изменением размера и выдавать команды на изменение режима обработки, т. е. на параметр, которым можно управлять.

По способу выдачи измерительной информации приборы активного контроля разделяются на показывающие, когда значение размера определяется непосредственно оператором по шкале отсчета устройства, и командные, когда сигнал на подналадку в станок подается без участия оператора. В командных приборах выдается световой сигнал о режиме работы и имеется шкала или цифровой дисплей для отсчета значения текущего размера.

По воздействию на технологическое оборудование различают четыре вида устройств активного контроля: управляющие автотолераторы, регулирующие автоподналадчики, защитные устройства и автоблокировщики.

Автотолераторы автоматически изменяют характер процесса при достижении действительным контролируемым параметром предписанного значения. Автоподналадчики автоматически осуществляют настройку производственной системы, обеспечивая равенство контролируемых параметров предписанным значениям. Защитные устройства предотвращают попадание в рабочую зону изделий, параметры которых выходят за предписанные значения. Автоблокировщики прекращают течение процесса при выходе контролируемых параметров изделий за предписанные значения или при возникновении других недопустимых критических ситуаций. Самонастраивающиеся системы способны автоматически, самостоятельно изменять свои параметры настройки, обеспечивая предписанные показатели качества при изменяющихся условиях.

Большинство устройств активного контроля является контактными: одноконтактными, двухконтактными, трехконтактными и с контактом поверхности. На работу одноконтактных приборов влияют: погрешность установки контролирумой детали на станке и ее прогиб; влияние прогиба ослабляют расположением линии измерения перпендикулярно действию силы. Прогиб детали отражается и на результатах измерений с помощью двухконтактных приборов, поскольку при настройке прибора по калибру и образцовой детали последние не подвергаются силовым воздействиям. При отжатии детали на величину Δу за счет измерения по хорде, смещенной на х относительно правильного положения измерительных наконечников, она очевидно, составит , где r - радиус детали. Трехконтактные приборы базируются на измеряемой детали, и поэтому погрешность установки детали на станке и погрешность за счет прогиба не влияют на их показания. Однако перемещение у измерительного наконечника зависит не только от изменения Δr радиуса детали, но и от центрального угла φ между радиусами в точках контакта изделия с опорами, т.е. определяется соотношением

.

Эти погрешности практически не отражаются на точности активного контроля, если настройку выполняют по калибру и сигнал подается только по достижении определенного размера.

На рис.13.3 показана структурная схема командного прибора. Для активного контроля, с помощью которого измеряется размер детали непосредственно во время обработки и с помощью команд, выдаваемых этим прибором на станок, изменяются режимы обработки.

 

Рис 13.3. Структурная схема прибора для измерения в процессе обработки

На станке располагается измерительный узел 2, который измеряет деталь 1 во время ее обработки. Сигнал с измерительного узла 2, характеризующий размер детали, поступает одновременно в блок отсчетного устройства 3, светофорный блок 4 и командный блок 5. Сигнал после усилителя 6 поступает на станок для изменения режимов обработки в зависимости от размера детали в момент измерения. На блоке 3 по стрелке можно отсчитать отклонение размера от настроенного,  а по блоку 4 в зависимости от того, какая лампочка горит, можно определить, на каком режиме работает станок.                     

Контрольные автоматы. Контрольные автоматы широко применяют в массовом производстве для стопроцентного контроля деталей, имеющих простую форму и небольшую массу (колец, шариков и роликов подшипников качения, поршневых колец, пальцев).      

В зависимости от назначения различают автоматы разбраковочные,  осуществляющие контроль и разбраковку изделий на годные и по видам брака; сортировочные, выполняющие рассортировку изделий группы по размерам, например для селективной сборки; автоматы для аттестации и комплектовки, например производящие аттестацию и комплектовку колец подшипников качения с заранее рассортированными на группы шариками.                          

На рис.13.4,а показана схема контрольного автомата с электроконтактным преобразователем измерительного импульса.

Проверяемая деталь 13, поступающая из лотка бункера 15, подается толкателем 14 под измерительный наконечник первичного преобразователя 1 и выдерживается в таком положении некоторое время, достаточное для успокоения детали и измерения. Перед концом измерения прерыватель замыкается, соединяя преобразователь с электронным блоком 3.

Рис. 13.4. Контрольные автоматы:

а - с электроконтактным преобразователем, б - с фотоэлектрическим

преобразователем

Если размер детали находится в пределах допуска, то контактный рычаг первичного преобразователя 1 занимает среднее положение, не касаясь контактов 2. Заслонки 8 и 10 остаются закрытыми. Деталь 13 сталкивается толкателем 14 на лоток 12 и, скатываясь по закрытым заслонкам, попадает во всегда открытый ящик 4 годной продукции.

Если размер детали выходит за нижнюю границу допуска, то нижний контакт преобразователя остается замкнутым и электромагнит 6 отпускает якорь. При этом пружина 5 поворачивает заслонку 8, открывая отверстие ящика 7, куда и попадает бракованная деталь. При увеличенном размере детали замыкается верхний контакт преобразователя, срабатывает электромагнит 9 и открывается заслонка 10. Бракованная деталь попадает в ящик 11.

На рис.13.4,б показан общий вид автомата для многодиапазонной сортировки колец шарикоподшипников по диаметру желоба. В автомате применен фотоэлектрический преобразователь 7 измерительного импульса, созданный на базе оптикатора. Наибольшее число групп сортировки 50.

Система автоматизированного контроля в гибких производственных системах. Системы автоматизированного контроля (САК) разрабатываются для полной номенклатуры деталей, сборочных единиц и технологических процессов гибких производственных систем (ГПС). САК может охватывать процессами автоматизированного контроля полное или неполное множество контролируемых параметров. Функции САК ГПС приведены в табл. 13.1.

Помимо вышеотмеченных функций, САК может обеспечить локальный или общий контроль других подсистем ГПС: оборудования подготовки инструментального обеспечения и оснастки, автоматизированных транспортно-складских систем, стендов сборки заготовок в пакеты.

Таблица 13.1

Уровень структуры ГПС

Функции САК

Гибкий производственный модуль (ГПМ)

Идентификация поступившей детали. Контроль положения деталей перед обработкой. Активный контроль в процессе обработки. Оптимизация снимаемого припуска и режимов обработки. Контроль выполнения операции вне станка. Контроль наличия, целостности и износа инструментов. Коррекция положения инструментов и рабочих органов. Счет обработанных деталей. Контроль технологических режимов работы оборудования. Регистрация времени функционирования элементов технологической системы. Телеметрирование и контроль функционирования оборудования

ГПС в целом

Автоматизация процесса контроля в безлюдном и малолюдном режиме. Обработка измерительной информации при координатных и других измерениях. Обеспечение статистического управления точностью производственного процесса. Оптимизация режимов контроля, обеспечение статистического приемочного контроля. Управление взаимодействием элементов САК и технологического оборудования. Информационное обеспечение производственного и технологического процессов. Оптимизация информационных потоков

Определение и анализ аварийных ситуаций. Контроль прохождения и реализации управляющих команд. Выдача информации в АСУ ТП для организации гибкого управления ГПС

Внедрение САК проводится поэтапно с учетом максимальной экономической и технической эффективности, повышения качества продукции и производительности труда в зависимости от точности и стабильности технологических процессов ГПС.

На первом этапе реализуется применение гибких измерительных модулей, средств электронного контроля, координатно-измерительных машин; на втором этапе внедрение структур САК на уровне ГПМ группы или участка станков, отделения приемочного контроля; на третьем этапе - полный САК ГПС с постепенным расширением ее функций.

В состав САК входят следующие технические средства:

пункт приемочного контроля, оборудованный автоматизированными рабочими местами контролеров, измерительными стендами, столами, шкафами и стеллажами для хранения контрольно-измерительных инструментов, приборов, оснастки и др.;

посты технического контроля с пультами ввода измерительной информации;

контрольно-измерительные позиции;

накопители деталей;

устройства транспортирования и подачи деталей на измерительные позиции, в том числе на основе промышленных роботов;

изоляторы брака;

координатно-измерительные машины, измерительные роботы, гибкие (переналаживаемые) измерительные модули (ГИМ);

контрольно-измерительные приборы на основе индукционных, фотоэлектрических и других преобразователей, инструменты и приспособления для обеспечения технологических процессов технического контроля;

приборы для настройки инструментов к станкам с ЧПУ;

электронные блоки и компараторы для статконтроля;

индикаторы контакта;

контрольно-измерительные наладки на основе электронных приборов;

эталоны и эталонные детали для настройки и поверки средств измерения;

аппаратура передачи данных и каналы связи;

средства вычислительной техники;

периферийные устройства ЭВМ, печатающие устройства, графопостроители.

На рис.13.5 приведен контрольный автомат модели 1282, обслуживаемый промышленным роботом (ПР). С загрузочного лотка 1 механизмом поштучной выдачи 2 деталь типа вал подается в зону действия охвата 3. Робот 4 подает деталь 8 для контроля на измерительную станцию 5, где она базируется в роликовой паре 6. При вращении детали от привода 7 плавающая скоба 9 перемещается вдоль оси. Проконтролированная по винтовой линии деталь за счет срабатывания магнитоуправляемых упоров 10 направляется в лоток-исполнитель 11.

Рис. 13.5. Роботизированный контроль деталей на автоматах

САК является подсистемой ГПС и полностью с ней интегрирована. Структура и состав САК определяются структурой конкретной ГПС, номенклатурой и типом контролируемых деталей, программой выпуска, принятой технологией контроля, требуемой достоверностью контроля. Сведение элементов САК в единую систему выполняется на различной структурной основе.

Оптимальное решение задач автоматизированного контроля возможно только на основе системного подхода к построению САК с позиции определения ее места в составе ГПС и взаимосвязей с другими автоматизированными системами САПР (система автоматизации проектирования), АСТПП (автоматизированная система технологической подготовки производства). В контуре ГПС обратная связь САК с внутренними модулями и системами осуществляется через систему управления (СУ) на основе результатов контроля. По каналу связи СУ САК осуществляется управление системой контроля (команды на смену алгоритмов и программ, другие диспетчерские команды).

Принципы организации контроля в ГПС. При разработке принципов организации контроля в ГПС рекомендуется руководствоваться следующими общими положениями.

1. Необходимо стремиться к сокращению расходов на обеспечение качества изделий за счет более раннего обнаружения и рационального сокращения потерь из-за дефектности (кривая 2) в достижении оптимального качества    (рис. 13.6). С экономической точки зрения все усилия по повышению технического уровня качества промышленной продукции выражаются в форме затрат, направленных либо на увеличение доходов от расходов по обеспечению качества по базовым показателям, либо на сокращение издержек производства для установления соответствия показателей качества продукции техническим условиям. Обычно высокая степень соответствия техническим условиям может быть достигнута путем использования более дорогостоящих производственных процессов, затрат на основные издержки производства и расходов на контроль. Использование дорогостоящих производственных процессов снижает потери из-за дефектности и повышает качество продукции. Чем основательнее осуществляется контроль, тем скорее снижаются потери, связанные с дефектностью; при этом резко возрастают расходы на контроль. Допускается возможность существования оптимума качества, который соответствует точке минимума в кривой общих затрат. Следовательно, точка Со, отражающая минимальные издержки производства, показывает оптимальное значение Ро (см. рис.13.6).

2. Организация контроля должна обеспечивать управляемость производственной системы по результатам контроля.

3. Необходимо включать в область рассмотрения решение задач контроля параметров, не имеющих эксплуатационного значения, но определяющих возможность и точность выполнения автоматизированных операций и их элементов.

4. В качестве контролируемых следует рассматривать три группы параметров: изделий, процессов и оборудования.

5. Выбор рационального соотношения уровня расходов на реализацию контроля производится на основе определения ущерба (потерь) от недостатка информации по каждому параметру соответствующей группы при максимальной эффективности функционирования.

Рис. 13.6. Оптимальное качество продукции:

1 - расходы на контроль качества; 2 - потери из-за дефектности; 3 - общая

сумма издержек на производство; 4 - основные издержки производства

По аналогии с типовой структурой системы управления ГПС структура САК должна содержать три уровня: верхний, средний, нижний.

Методы контроля в ГПС. Основная задача САК в ГПС - обеспечение возможности предупреждения брака. Это достигается путем оперативного получения информации непосредственно в параметрах изготовляемого объекта или с помощью косвенных методов в процессе изготовления.

При измерении параметров деталей в САК наиболее широкое распространение получили методы и средства активного прямого контроля.

Основными направлениями развития автоматических средств измерения параметров деталей являются как средства измерения параметров деталей, встраиваемых в станки, так и средства выносных позиций контроля: средства измерения, встраиваемые в станки с ЧПУ; встраиваемые координатно-измерительные машины; измерительные роботы; лазерные измерительные устройства и др.

Контроль деталей непосредственно на станке в процессе обработки с помощью встраиваемых измерительных систем, основанных на использовании измерительных щупов, является наиболее оперативным. Станок выполняет функции координатно-измерительной машины.

Для выполнения измерений измерительные инструменты помещаются на одной из позиций инструментального магазина и для контроля автоматически устанавливаются в шпиндель станка. Процесс измерения осуществляется по определенному циклу, предусмотренному в программе станка. Получаемая информация передается в вычислительное устройство блока коррекции.

Роботизация контрольных операций в САК. Для повышения производительности контроля изделий, снижения затрат на контроль, сокращения доли монотонного утомительного труда в производственном процессе требуется автоматизировать и вспомогательные операции, к которым относятся операции загрузки, ориентирования, установки, снятия, сортировки по результатам контроля и т. д. С ростом степени автоматизации контрольного оборудования оператору, в основном, остается выполнять именно эти малоквалифицированные операции.

Применение промышленных роботов (ПР) на контрольных операциях развивается в двух направлениях: для загрузки и разгрузки позиции контроля или в качестве устройства сканирования с установкой на манипуляторе устройств неразрушающего контроля.

Важным и экономически целесообразным направлением роботизации технологического контроля является входной контроль. Это обусловлено, с одной стороны, возрастающим объемом входного контроля по мере усложнения элементной базы и самих изделий, повышением требования к их параметрам, а с другой - весьма ощутимой долей затрат времени на вспомогательные операции, все увеличивающиеся по мере совершенствования измерительных средств, и уменьшением времени непосредственно измерений.

Для автоматизации технологического контроля размеров, формы и расположения в условиях мелкосерийного производства ПР применяются совместно с цифровыми измерителями линейных перемещений и статистическими анализаторами. В условиях крупносерийного и массового производства используют автоматические стенды и линии контроля, сортировки и разбраковки деталей по линейным и диаметральным размерам, включающие в себя специализированные манипуляторы. Каждый параметр контролируется на отдельной измерительной позиции, выполненной в виде унифицированного модуля.

Помимо ПР, в состав ГПС входят устройства контроля и разбраковки изделий, а также специализированные устройства связи контрольных устройств, робота и объекта контроля.

13.8. Метрологическая служба предприятия 

Методическое руководство   метрологическим  обеспечением подготовки производства осуществляется методологическими организациями Госстандарта,  базовыми и головными организациями метрологической службы министерств и подразделениями предприятий и организаций.

Метрологическая служба  предприятия создается как самостоятельное подразделение и возглавляется  главным  метрологом.

Задачами метрологической службы предприятия (МСП) являются:

- обеспечение единства измерений при требуемой точности;

- проведение анализа состояния измерений;

- разработка и внедрение методик выполнения измерения;

- выполнение работ по поверке средств измерений;

- проведение метрологической экспертизы конструкторской и технологической  документации;

- осуществление контроля за состоянием и ремонтом средств измерений;

- принятие мер по устранению недостатков метрологического обеспечения,        выявленных при приемке продукции;

- участие в работе ОТК и технологических служб по выявлению  причин брака из-за применения непригодных средств измерения;

- выполнение комплекса  мероприятий по метрологическому обеспечению безопасности работы при выполнении контроля на опасных       и вредных работах на рабочих местах, у производственного оборудования, в ходе технологического процесса в   соответствии с ГОСТ 12.0.005 и др.  

МСП состоит из следующих подразделений: отдел главного метролога,        центральная измерительная лаборатория, контрольно-поверочные  пункты, участки (цехи) по юстировке и ремонту средств       измерений, группы разработки и внедрения новых методов и средств     измерений, сектор надзора за соблюдением и достоверностью     измерений.

Важными условиями плодотворной деятельности МСП являются: оснащение новейшими средствами измерений, укомплектование квалифицированными        кадрами, соблюдение условий хранения приборов, установленных инструкциями Госстандарта.

МСП несет ответственность за метрологическое обеспечение измерений при разработке, испытаниях, эксплуатации выпускаемых изделий.

13.9. Нормальные условия выполнения измерений 

Обеспечение единства  измерений и  достижения  требуемой точности при изготовлении машин и приборов зависит  от  целого ряда причин и в первую очередь от соблюдения нормальных условий выполнения измерений.        ГОСТ 8.050,  в  котором  установлены эти условия,  относится к группе стандартов государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ).  В нем установлены требования к нормальным условиям выполнения измерений линейных размеров в пределах от 1 до  500 мм и измерений углов с длиной меньшей стороны до 500 мм; их называют влияющими величинами. Приведем основные значения влияющих величин:

Температура окружающей среды 20°С.

Атмосферное давление 101324,72 Па (760 мм рт.ст.).

Относительная влажность окружающего воздуха 58%.

Направление линии измерения линейных размеров до 160 мм у наружных поверхностей - вертикальное,  в остальных случаях  - горизонтальное.

Положение плоскости измерения углов - горизонтальное.

Нормальные условия  должны обеспечиваться при измерениях для исключения дополнительных погрешностей;  они должны поддерживаться  в  рабочем пространстве в течение всего процесса измерения.

В стандарте установлено, что результаты измерения для сопоставимости должны приводиться к нормальным значениям влияющих  величин  с погрешностью,  не превышающей 35%  допускаемой погрешности измерения.

В этом стандарте установлены пределы допускаемых отклонений от нормальных значений влияющих величин. Числовые значения допускаемых отклонений  расположены по четырнадцати рядам, с I по XIV, в зависимости от допуска измеряемых величин,  в порядке увеличения этого  допуска. Например, ряд IX соответствует 6-му квалитету точности,  ряд XI - 8-му квалитету,  ряд XIV - 10-му квалитету.                  

13.9.1. Пределы допускаемого отклонения температуры объекта измерения и рабочего пространства от нормального значения в процессе измерения приведены в табл. 13.2.

                                                                                                        Таблица 13.2

Размеры,

мм

Отклонения температуры, °С, для квалитетов

точнее 6-го

с 6 по 10

свыше 1 до 18

свыше 18 до 50

свыше 50 до 500

±0,5 до ±l,5

±0,2 до ±1,0

±0,1 до ±0,5

±3,0 до ±4,0

±2,0 до ±3,0

±1,0 до ±2,0

Пример 

Определить, как изменится диаметр стального вала Ø100h7(-0,035), если в процессе обработки его температура была +60°С, а измерение выполнено при нормальной температуре 20°С. Коэффициент линейного расширения при температурах от 0 до 100°С равен:

для незакаленной стали α1 = 11,5·10-6 1/ºC (вал);

для закаленной стали α2 = 12·10-6 1/ºC (средство измерения).

Изменение размера диаметра вала определяем по формуле

Δd = d(α1Δtl - α2Δt2),

тогда 

Δd = 100·[11,5·10-6 ·(60-20) - 12·10-6 ·(20-20)] = 0,046 мм,

что на  больше допуска.

Таким образом, вал при измерении будет забракован.

Для снижения отрицательного влияния разности температур объекта  измерения на его поверхности и температуры с учетом пределов допускаемых отклонений стандарт рекомендует выдерживать объект измерения в рабочем пространстве при нормальной температуре. Так, например, если температура объекта  отличается  от  нормальной  более  чем  на 1,5; 2,5; 3,5; 5ºС (соответственно для рядов I-III; IV-VIII; IX-XI; XII-XIV), то при массе объекта свыше 10 до 50 кг время выдержи должно быть 6; 4; 3; 2 часа (для этих же рядов). При отклонениях температуры, превышающих указанные, время выдержки должно быть увеличено.

Это относится и к средствам измерения; средства измерения должны до начала измерения находиться в условиях, соответствующих требованиям к температуре в рабочем пространстве не менее 24 ч.

В необходимых случаях, например, если в данный момент нельзя обеспечить соответствующие температуры объекта измерения и нормального ее значения в рабочем пространстве, то результат измерения можно скорректировать путем расчетов, приведенных в примере 1.

13.9.2. Давление окружающего воздуха в рабочем пространстве не должно быть меньше атмосферного. Допускается превышение атмосферного давления не более чем на 3 кПа. Соблюдение этого условия важно, например, при измерении тонкостенных деталей.

13.9.3. Пределы допускаемого отклонения влажности воздуха в рабочем пространстве от нормального не должны превышать ±20%. Это важно при интерференционных линейных измерениях, для которых при измеряемых размерах не грубее 3-го квалитета   эти пределы составляют ±5%.

13.9.4. Кроме направления линии измерения, нормируется также и ориентация объектов измерения. Установлены следующие пределы допускаемых отклонений: для квалитетов 1-6  - ±2°, и для квалитетов 6-10 - ±5°.

13.9.5. Из других влияющих величин назовем следующие.

Уровень шума в рабочем пространстве не должен превышать 45 дБ при измерениях объектов с размерами до 5-го квалитета, и 80 дБ при измерениях объектов с размерами с 6-го по 10-й квалитет.

Пределы освещенности рабочего пространства установлены, например, для отсчетных устройств в виде шкалы на светлом фоне со стрелкой 300-500 лк (люкс) при люминесцентных лампах и 150 - 300 лк при лампах накаливания.

Количество твердых веществ пыли в 1 м3 воздуха в рабочем пространстве, например, при размерах частиц пыли не более 1 мкм при измерениях объектов с размерами по 6-8-му квалитетам - 100 частиц, а при измерениях объектов с размерами по 9-му квалитету - 150 частиц.

Погрешность измерения снижается при совпадении технологических (ТБ) и эксплуатационных баз (ЭБ). Так, например, при установлении величины бокового зазора в зубчатой передаче путем измерения толщины зуба зубчатого колеса по роликам погрешность измерения будет меньше, чем с использованием штангензубомера (ТБ - окружность выступов зубчатого колеса не совпадает с ЭБ - боковой поверхностью зуба).

Наиболее кардинальным решением, обеспечивающим соблюдение нормальных условий выполнения измерений, является работа в термостатических механических цехах. Организация таких цехов обеспечивает круглосуточно в течение продолжительного времени постоянство температуры во всем рабочем пространстве цеха. Это достигается за счет создания систем отопления, освещения, вентиляции в цехе, четко взаимодействующих между собой (при любых изменениях внешних атмосферных погодных условий (зима, лето) температура в цехе остается постоянной в пределах допускаемых отклонений).

Примером такого цеха является механический цех по изготовлению, сборке и испытаниям крупных карусельных, горизонтально-расточных и других станков на Коломенском станкостроительном заводе. Цех не имеет окон и обладает весьма ограниченным числом входных дверей. Чтобы попасть в цех, нужно пройти через тамбур с плотно закрывающимися дверями; аналогично устроены и ворота для въезда в цех автотранспорта. Освещение в цехе люминесцентное. Кроме  постоянства температуры, в цехе  соблюдены нормы влажности, атмосферного давления,  загазованности, уровня шума и др.  Цех относится к крупным механическим цехам: его площадь порядка 10-12 тыс. м2, высота до головки кранового рельса около 10 м.  Микроклимат в цехе благоприятный, что способствует малой утомляемости работающих.  Соблюдение нормальных требований к выполнению измерений (механообработка, контроль, сборка, испытания) во взаимодействии с  благоприятными гигиеническими условиями в  цехе обеспечивает стабильную работу цеха по изготовлению высококачественных крупных металлорежущих станков,  в том числе  экспортировавшихся в такие страны, как Англия,  Япония и др.

13.10. Выбор средств измерений

Допускаемая погрешность измерения является  главным фактором при выборе средства измерения. Погрешность измерения Δизм. должна быть незначительной по сравнению с допуском  Т контролируемого размера, т.е.            Δизм.= Кизм.·Т, где  Кизм. – коэффициент, равный 0,2-0,35. Значение Кизм. выбирают в зависимости от квалитета: для 2-5 квалитетов Кизм. ≤ 0,35; для квалитетов 6,7 Кизм. ≤ 0,3; для квалитетов 8,9 Кизм. ≤ 0,25; для квалитетов  10-16       Кизм. ≤ 0,2.

При выборе средства измерения также учитывают его метрологические характеристики: цена деления должна быть меньше допуска измеряемого размера, а диапазон показаний по шкале – больше допуска.

В зависимости от типа производства: в единичном  и мелкосерийном производстве применяют универсальные средства контроля и измерения; в крупносерийном и массовом – специализированные, автоматизированные средства измерения. При большом числе контролируемых параметров целесообразно применять многомерные приспособления.

Для управления технологическими процессами прогрессивным является применение  средств управляющего (активного) контроля, передающих сигналы о контролируемом параметре от измерительного средства на управляющие органы станков.

Учитываются также экономические соображения, особенно при создании и внедрении сложных измерительных устройств и контрольных автоматов. С одной стороны, учитывают все затраты, а с другой – обеспечение требуемой точности измерения и повышение производительности контроля.

200

PAGE  172


Рабочие средства измерений (наивысшей, высшей, высокой, средней и низкой  точности)

2-го разряда

Государственный эталон

(первичный эталон)

абочие эталоны

Образцовые средства измерения 1-го разряда

3-го разряда

4-го разряда

Для поверки средств измерений низкой точности

Для поверки средств измерений средней точности

Для поверки средств измерений высокой точности

Для поверки средств измерений наивысшей точности

Для поверки средств измерений высшей точности

б

а

б

а


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10464. Стандарты ОСРВ 37.03 KB
  Тема: Стандарты ОСРВ. Большие различия в спецификациях ОСРВ и огромное количество существующих микроконтроллеров выдвигают на передний план проблему стандартизации в области систем реального времени. Наиболее ранним и распространенным стандартом ОСРВ является...
10465. Настраиваемость операционных систем 69.04 KB
  Тема: Настраиваемость операционных систем. В последнее время одной из главных тем исследовательских работ в области операционных систем стало исследование настраиваемости customizability или адаптируемости операционной системы. Настраиваемой или адаптируемой операци
10466. Сетевые операционные системы, Управление локальными ресурсами 75.65 KB
  Сетевые операционные системы. Структура сетевой операционной системы Сетевая операционная система составляет основу любой вычислительной сети. Каждый компьютер в сети в значительной степени автономен поэтому под сетевой операционной системой...
10468. Сетевые операционные системы. Управление локальными ресурсами 144.5 KB
  Тема: Сетевые операционные системы. Управление локальными ресурсами. 1. Управление вводомвыводом Одной из главных функций ОС является управление всеми устройствами вводавывода компьютера. ОС должна передавать устройствам команды перехватывать прерывания и об
10469. Сетевые операционные системы. Управление распределенными ресурсами 158.47 KB
  Тема: Сетевые операционные системы. Управление распределенными ресурсами. Базовые примитивы передачи сообщений в распределенных системах. Единственным по-настоящему важным отличием распределенных систем от централизованных является межпроцессная вз...
10470. Современные концепции и технологии проектирования операционных систем 66.59 KB
  Тема: Современные концепции и технологии проектирования операционных систем. Требования предъявляемые к ОС. Операционная система является сердцевиной сетевого программного обеспечения она создает среду для выполнения приложений и во многом определя...
10471. Прозрачный механизм удаленного обслуживания системных вызо 94.4 KB
  Тема: Прозрачный механизм удаленного обслуживания системных вызовов Основные вопросы: Архитектура системы Прозрачное обслуживание системных вызовов Использование технологии аппаратной виртуализации для перехвата системных вызовов чтения их парам...
10472. Сетевые ОС. Управление памятью 77.24 KB
  Тема: Сетевые ОС. Управление памятью. Цель: сформировать систематизированное представление о концепциях и принципах управления памятью положенных в основу построения и управления локальными ресурсами операционных систем. Основные вопросы: Типы адресов