д л я в ^ е о в
Л.Н.Ворощов,
СФ.Корндорф
ПРИБОРЫ
АВТОМАТИЧЕСКОГО
КОНТРОЛЯ РАЗМЕРОВ
В МАШИНОСТРОЕНИИ
'ММШНОСТРОенИЕ
для ВУЗОВ
Л.Н.Ворониов,
СФ.Корндорф
ПРИБОРЫ
АВТОМАТИЧЕСКОГО
КОНТРОЛЯ РАЗМЕЮВ
В МАШИНОСТРОЕНИИ
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования СССР
в качестве учебного пособия
для студентов высших технических
учебных заведений. . '
(
•
Г'"
| 1
1"!
ЙЕЗ.
МОСКВА
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1988
7<Р
-
Б Б К 32.965
В75 •
УДК
'
.
62-52(075)
Р е ц е н з е н т ы : кафедра «Приборы точной механики» Ленинград,
ского института точной механики и оптики; В. Н. БелоцерковскиЙ.
Воронцов л . Н.,' Корндорф С. Ф.
В75
Приборы автоматического контроля размеров в машине.
. строении: Учебн. пособие для вузов по специальности «Приборы точной механики». — М . : Машиностроение, 1988.—
280 е.: ил.
15ВМ 5-217-00005-8
В
' Рассмотрены теоретические основы проектирования органов автоматизированных контрольных систем: транспортирующих органов, ср.
га нов измерительных позиций, командоаппаратов, микропроцессоров,
запоминающих, блокировочных и исполнительных органов. Приведена
теория динамической точности контрольных автоматизированных устр о й а в . Изложены общие принципы проектирования контрольных автоматизированных систем, систем автоматической диагностики и испытания, устройств активного контроля, самонастраивающихся контрольных
систем.
Пособие соответствует программе курса «Основы автоматического
контроля».
•
2203000000-005 , „„
ББК 32.965
5—88
038(01)—88
>
)
1'
а
4
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Воронцов Лев Николаевич, Корндорф Сергей Фердннандович
ПРИБОРЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
В МАШИНОСТРОЕНИИ
-г)
РАЗМЕРОВ
Редактор А. В. Лысенко
Художественный редактор А. С. Вершинкин
Технический редактор О, В. Куперман
Корректоры О. Е. Мишина, Л. Е. Сонюшкина
I
^
•1
ИБ № 4971
Сдано в набор 11.03.88. Подписано в печать 09.06.88
Т-11224. Формат бОхвв'Л^ Бумага офсетная Л» 2. Гарнитура литературная.
-
101898. Москва. Центр. Хохловский пер., 7.
15ВЫ 5-217-00005-8
1
© Издательство «Машиностроение», 1988
:
'М-'
ПРЕДИСЛОВИЕ
;
В решениях XXVII съезда КПСС подчеркивается необходимость крутого поворота к интенсификации производства, повышению качества и эффективности труда. Важное значение в ре1 шении этих вопросов отводится автоматизации контрольных операций и в особенности системам автоматического управления
I технологическими Процессами.
3
При выборе структуры и содержания настоящей книги авторы учитывали, что уже имеется определенная и достаточно многочисленная литература в данной области. В частности, авторы
считают, что вопросы построения загрузочных и транспортирующих органов контрольных автоматов достаточно полно изложены в их книге «Теория и проектирование контрольных автоматов>, М.: «Высшая школа», 1980 г. и не потеряли своего значения. В этой же книге изложены понятия и определения в области
метрологии и автоматического контроля.
Сохранил свое значение и раздел «Самонастраивающиеся
контрольные системы», теоретические положения которого в
большей мере могут быть использованы при изложении студентам курса, одноименного названию настоящего учебного пособия.
Вместе с тем авторы считают своим долгом существенно
пересмотреть такие разделы курса, как «Теория динамической
точности контрольных автоматизированных устройств», «Проектирование устройств активного контроля», в особенности в части
проектирования и расчета точности автоподналадчиков технологического оборудования.
,
.
Существенным отличием излагаемого материала, на наш
взгляд, является усиление разделов и введение отдельных глав,
связанных с вопросами диагностики и испытаний средств автоматического контроля, поскольку,эти вопросы в промышленности становятся все более актуальными, а в литературе находят
явно недостаточное отражение.
Большую перспективу в недалеком будущем будет иметь
г
такой раздел машиностроения, как робототехника, поэтому авторы ввели отдельную главу «Измерительные роботы». Значительное место в содержании отдельных разделов авторы уделили
использованию электронной вычислительной и микропроцессорной техники для средств автоматического контроля.
Главы 1, 3, 4, 6 и 8 написаны проф. Л. Н. Воронцовым, а главы 2, 5, 7, 9 — проф. С. Ф. Корндорфом.
ГЛАВА 1
П Р И Н Ц И П Ы ПОСТРОЕНИЯ СРЕДСТВ
АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
1. ВЫБОР ТОЧНОСТИ
Перед выбором точности средства контроля следует
решить вопросы выбора организационно-технических форм, целесообразности контроля определенного вида параметров и
производительности таких средств (универсальных или специальных, автоматизированных или автоматических). Как правило, одну метрологическую задачу можно решить с помощью различных измерительных средств, которые имеют не только разную стоимость, но и разные точность и другие метрологические
показатели, а следовательно, дают неодинаковые результаты.
Это объясняется отличием точности результатов наблюдения от
точности контроля самими средствами, различием методов использования контрольных средств и дополнительных приспособлений, применяемых в сочетании с универсальными или специализированными средствами (стойками, штативами, рычажными
и безрычажными передачами, элементами крепления и базирования, измерительными наконечниками и др.). В связи с этим
вопрос выбора точности средств контроля приобретает первостепенное значение. Чем выше требуемая точность средства измерения, тем оно массивнее и дороже, тем выше требования, предъявляемые к условиям его использования. Применение средств
контроля приводит к уменьшению табличного допуска Г на изготовление детали (рис. 1, а). При использовании контрольного
средства допуск Т оставался бы постоянным, если бы это средство было идеально точно выполнено и настроено па границы
поля допуска Е\ и Е^. В действительности при выбранных методе и средстве контроля всегда возникает допускаемая (метрологическая) погрешность измерения ± Д м е т . Чтобы ни одна из
бракованных деталей не была признана ошибочно годной, необ-'
ходимо уменьшить допуск Т до значения технологического до-'
пуска (рис. 1, б):
7'гсг=7'-4Д„„.
(1),
Последнее обстоятельство объясняется тем, что средство'
контроля может быть настроено на предельные значения погрешности Д м е т , т. е. на границы поля допуска Е\ и Е^. Чтобы не су-
зкать производственный допуск и не увеличивать стоимость
3-5
'Л
а
изделия,
необходи§
5
мо либо уменьшить
I
>
ч
51
допускаемую
погрешность Лмет, либо
сместить настройку
(установить
приемочные
границы)
вне поля допуска
I
гг
(рис. 1, г), расшиа)
д)
6)
г)
ряя его до гарантированного значения Рис. 1, Схема полей допусков
Тг'
"
'
.
'Т
Конкретное сочетание погрешности измерения и измеряемого
параметра является событием случайным. Тогда с учетом закона нормального распределения обеих составляющих можно записать
(2)
где Дмет — допускаемая часть погрешности.
Анализ формул ( 1 ) и ( 2 ) показывает, что если 2 Л м € т / Г = 0 , 1 ,
то практически весь допуск отводится на компенсацию технологических погрешностей, так как при этом Г т е х / Г = 0 , 9 . . . 0 , 9 9 5 .
Д а ж е если принять 2 Д м е т / Г = 0 , 4 , то и тогда на компенсацию
технологических погрешностей можно выделить ( 0 , 6 . . . 0 , 9 1 7 ) Т.
Согласно ГОСТ 8 . 0 5 — 8 1 (СТ СЭВ 3 0 3 — 7 6 ) пределы допускаемых погрешностей измерения для диапазона 1 — 5 0 0 мм колеблются от 20 (для грубых квалитетов) до 35% табличного допуска. Стандартизованные погрешности измерения являются наибольшими и включают как случайные, так и систематические
(неучтенные) погрешности измерительных средств, установочных
мер, элементов базирования и т. д. Случайная погрешность
измерения не должна превышать 0,6 предела допускаемой
погрешности. Ее принимают равной удвоенному среднему квадратическому отклонению погрешности контроля. Допускаемые
погрешности являются наибольшими из возможных. Однако экономически нецелесообразно выбирать их менее 0,1 табличного
допуска. Следовательно, точность средства контроля должна
быть примерно па порядок выше точности контролируемого параметра изделия. Таким образом, увеличение точности средств
изготовления изделий неизбежно приводит к необходимости
опережающего создания средств измерения со значительно большей точностью контроля (принцип опережающего увеличения
точности средств измерения по сравнению с точностью средств
изготовления).
I
I
5
Рис. 2. Кривые распределения размеров деталей и погрешностей измерения
Основным экономически и
технически оправданным вариантом расположения предельной погрешности контроля относительно предельного размера изделия является симметричное расположение (рис, 1,б).
Однако при этом некоторые
бракованные изделия могут быть ошибочно признаны годными.
Чтобы ни одно бракованное изделие не попало к потребителю,
приемочные границы смещают внутрь поля допуска изделия на
величину с (см. рис. 1, г). Если точность технологического процесса известна, смещение с подлежит расчету, если точность технологического процесса неизвестна, с = Д м е т / 2 .
При выборе контрольного средства необходимо учитывать
допускаемую погрешность контроля, которая зависит от допуска на изготовление детали. Д л я размеров от 1 до 500 мм и квалитетов 2—17 допускаемые погрешности даны в ГОСТ 8.051—81.
Установлена связь между относительной погрешностью измерения ЛиетСа)=амет/7' (где (т„ет —среднее квадратическое отклонение погрешности), вероятностью т принятия бракованных
деталей как годных, вероятностью п неправильного забракования годных деталей и вероятным предельным значением с выхода размера за каждую границу поля допуска у неправильно
принятых бракованных деталей.
Кривые распределения размеров деталей Сг/тех) и погрешностей контроля (г/мет) с центрами, совпадающими с границами
допуска, показаны на рис. 2. В результате наложения кривых
1/мет и 1/тех происходит искзжение кривой распределения
стмет), появляются области вероятностей т и пЕ, обусловливающие выход размера за границу допуска на величину с. Таким
образом, чем точнее технологический процесс (меньше отношение Г/Амет), тем меньше неправильно принятых деталей по сравнению с неправильно забракованными, так как т//г = 0,1..Л,1.
Наибольшее смещение с = (1,5„.1,73) сгмет. При определении
параметров т, п V. с (табл. 1) рекомендуется принимать для
квалитетов 2—7 Л„ет(о) = 0 , 1 6 ; для квалитетов 8—9 Л„ет(а) =
= 0 , 1 2 и для квалитета 10 и грубее Лмет(а)=0,1.
Пределы допускаемых погрешностей можно увеличить, если
для использования низкоточных контрольных средств введен
уменьшенный производственный допуск или если изделия подлежат рассортировке на размерные группы при селективной
сборке.
' ' • •
•
•
Возможные предельные значения параметров
законе нормального распределения размеров
1,6..
3,0
5.0
8.0
0.37—0.39
0.87-0,90
1,60—1,70
2,60-2,80
т
с/Г
е. % .
бракованных
1
Таблица 1
деталей при
л
с/Г
(е. %
0,70-0,75
1.20-1,30
2.00-2,25
3.40-3,70
0,01
0,03
0,06
0,10
10,0
12,0
16,0
3,10-3,50
3,75-4,11
5,00-5,40
4,50-4,75
5,40-5,80
7,80-8,25
0,14
0,17
0,25
' П р и м е ч а н и е . Первые значения т и п соответствуют закону нормального распределения погрешности контроля, вторые — закону равной
вероятности. При неизвестном законе распределения погрешности контроля
значения т и п можно определять как средние из приведенных значений.
2. ПРИНЦИП
ИНВЕРСИИ
. Принцип инверсии основан на том, что любая деталь
от момента ее изготовления до момента эксплуатации проходит
несколько состояний и обращений (инверсий). Вначале деталь
представляет собой объект обработки, затем объект контроля и,
наконец, становится частью изделия, в частности механизма.
Тем самым принцип инверсии устанавливает связь между технологическим процессом, процессом контроля и выполнением
функций при эксплуатации. На первом этапе деталь является
частью замкнутой цепи технологической системы — источника
инструментальной погрешности. На втором этапе деталь входит
в замкнутую систему вместе со средством контроля — источником погрешности контроля. На третьем этапе готовая деталь с
параметрами, соответствующими установленным значениям,
является частью кинематической системы механизма изделия.
Параметры детали при эксплуатации соответствуют установленным значениям, лишь когда все три фазы ее прохождения изучаются и учитываются совместно.
И з принципа инверсии следует, что точность необходимо
ограничивать, исходя из функционального назначения детали,
схема технологического формообразования должна соответствовать схеме ее функционирования, а схема контроля — учитывать
обе последние схемы. Следовательно, положения принципа инверсии конструктор должен учитывать на стадии проектирования
изделия, технолог — н а стадии его изготовления, а метролог —
при его контроле. Выбранный метод и схему измерения считают
обоснованными, если условия контроля соответствуют условиям
эксплуатации и формообразования детали, а именно: траектория
7
движения при контроле соответствует траектории движения при
эксплуатации и формообразовании; линия измерения совпадает
с направлением рабочего усилия при эксплуатации; метрологические, конструкторские и технологические базы совпадают с рабочими; форма измерительного наконечника, силовая нагрузка
на деталь и другие параметры соответствуют параметрам сопрягаемой с ней контрдетали; физические (в частности, геометрические) свойства образцовой детали, используемой при настройке средства контроля, подобны свойствам контролируемой детали.
Если выбранный метод формообразования детали вследствие
конкретных технологических возможностей не полностью соответствует оптимальной схеме, вопрос о соответствии схемы измерения схеме механизма или формообразования следует решать,
исходя ИЗ'функционального назначения детали в зависимости от
решения частной метрологической задачи. Однако и в этом случае должны быть выделены главные метрологические показатели.
.
.
Таким образом, наибольшее соответствие процесса контроля
принципу инверсии позволяет и более полно обеспечить качественные показатели при эксплуатации изделий.
Рассмотрим несколько характерных примеров использования
положений принципа инверсии. После изготовления ступенчатого вала редуктора необходимо выбрать схему контроля радиального биения поверхности А детали Д с помощью датчика П
(рис. 3). В качестве метрологических баз следует выбрать поверхности В и
поскольку по ним происходит контакт вала
с опорными подшипниками, а использование в качестве метрологических баз линии центров С — С или поверхностей П—О' приводит к возникновению дополнительных погрешностей, вызванных отклонением от соосности этих элементов относительно
базовых поверхностей В—В\ В осевом направлении в качестве
базирующего элемента следует выбрать поверхность 5 (а не С
или С ) , поскольку она определяет осевое положение вала (от
Я
и.
>
ч
в
Ш
Рис. 3. Схема контроля ступенчатого вала
\
V-
в'
'ШШ/Ш
V • • . . О)!
^
I
.
Рис. 4. Схема контроля.калибров
Рис, 5, Схема контроля с помощью
клинового калибра
поверхности целесообразно проставлять линейные размеры I ) . При вращательном движении вала в процессе измерения
его траектория'соответствует траектории движения при эксплуатации. При базировании на призмах и выборе линииIизмерения
по направлению И\ огранка базовых поверхностей влияет на результаты контроля. Эти погрешности можно устранить, расположив линию измерения по направлению И2. При смещении линии
И2 в положение Я'а вследствие погрешностей начальной установки измерительного прибора возникают дополнительные погрешности контроля, ,
< Особенно тесная связь между указанными процессами существует при кинематическом копировании, например при получении эвольвентных, спиральных" и винтовых поверхностей методом
обкатки, контроле зубчатого колеса в однопрофильном зацеплении с точным образцовым колесом, контроле копира I сравнением его с профилем образцового копира 2 (рис, 4) и т. д. Так, при
контроле крепежных резьб важным и обоснованным показателем является их свинчиваемость с контрдеталью, а при контроле
кинематических резьб важно обеспечить одностороннее силовое
замыкание. Д л я автоматической рассортировки шариков подшипников по диаметру используют клиновой калибр (рис., 5),
выполненный в виде двух расходящихся под углом 2а линеек.
Существует два метода его настройки: по образцовым шарикам
(расположенным в сечениях Л1—Л| и А2—Аг с заданными диаметрами с1 и О) и по блокам концевых мер длины
В последнем случае при настройке необходимо вводить поправки на размеры блоков, так как геометрические поверхности и материал
этих образцов отличны от геометрических поверхностей и материала контролируемых деталей, а следовательно, различны положение точек соприкосновения С с линейками и смятие соприкасающихся поверхностей.
ЭТОЙ
3. ПРИНЦИПЫ
ПОСТРОЕНИЯ СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ
Принцип Тейлора. При наличии погрешностей формы
и взаимного расположения геометрических элементов сложных
9
деталей в соответствии с принципом Тейлора надежное определение соответствия размеров
всего профиля предписанным
предельным значениям возможно лишь в том случае, если
определяются значения проход,
ного и непроходного пределов
ГОСТ 25346—82
(СТ СЭВ
145—75), например действительные
значения наибольшеРис. 6. Схема контроля размеров по
го и наименьшего размеров.
винтовой линии
Следовательно, любое изделие
должно быть проконтролировано по крайней мере дважды, точнее,— по двум схемам контроля: с помощью проходного и непроходного калибров.
На определение качественного состояния деталей могут
влиять различные геометрические отклонения: отклонения от
круглости, параллельности торцов, соосности поверхностей, отклонения шага и угла профиля резьбы и др. Взаимодействие
средства измерения с контролируемым объектом может быть
точечным (сферический наконечник и др.), линейным (плоские
профильные шаблоны и др.) и поверхностным (калибры-пробки
и др.). Подавляющее большинство средств контроля имеют точечный контакт с контролируемым изделием и осуществляют
локальный контроль размеров в одном или нескольких сечениях.
Такой контроль не гарантирует попадания бракованных изделий
в годные.
Контроль значительно усложняется, если к недопустимости
попадания в годные бракованных изделий по непроходному пределу предъявляются повышенные требования. В этих случаях
либо используют двух- или трехкоординатные машины, либо применяют устройства, обеспечивающие последовательный непрерывный контроль с заданным шагом текущего размера детали.
В схеме полуавтоматического контроля (рис. 6) радиусов
цилиндрической детали 2, расположенных по винтовой линии,
зубчатое колесо 8 вращает винт
в результате чего каретка 7
с преобразователями перемещается в продольном направлении.
Шаг р винтовой линии, на которой расположены контролируемые размеры,
где 5 — ш а г винта; 21 и 22 —числа зубьев зубчатых колес 8 к 1.
Преобразователи 3 и 6 включены в дифференциальную схему, которая позволяет зафиксировать разность положений контролируемой поверхности детали и предварительно выверенной
образцовой линейки 5.
10
. Методы, основанные на использовании линейного и поверхностного контактов средств контроля с поверхностью детали,
как правило, обеспечивают высокую производительность и универсальность используемых средств, но позволяют надежно отбраковывать детали лишь по проходному пределу. Часто выбор
этих методов контроля обусловлен видом технологического процесса, обеспечивающего незначительные погрешности формы или
взаимного положения поверхностей.
Принцип Аббе. Рассматривая процесс сравнения контролируемых и образцовых штриховых мер на продольных и попер_ечных компараторах, Эрнест Аббе сформулировал принцип, в соответствии с которым минимальные погрешности измерения возникают, если контролируемый геометрический элемент и элемент
сравнения находятся на одной линии — линии измерения. Принцип Аббе справедлив для поступательно перемещающихся звеньев. Его широко используют при выборе схем и конструировании
средств контроля, при проектировании станков и т. д. Однако
последовательное расположение контролируемого и образцового
элемента на одной линии, как правило, приводит к увеличению
габаритных размеров средств измерения, поэтому в ряде случаев применяют параллельное расположение сравнительных элементов, но и тогда необходимо соблюдать условия, при которых
погрешности измерения минимальны.
На рис. 7, а—в показаны типовые, нередко встречающиеся
измерительные схемы с частичным нарушением принципа Аббе,
приводящим вследствие возникающего перекоса штоков в опорах к появлению погрешностей контроля первого порядка малости. Эти погрешности появляются вследствие несовпадения линий измерения АА с линией сравнения РВ. Однако чаще в типовых схемах (рис. 7, г—е), используемых в измерительной
технике, принцип Аббе соблюдается. В этом случае возникают
лишь погрешности измерения второго порядка малости.
Иг
ъ
С
'Л
Г
4
г
1
/
N
К
.
А
-
в
,^
л
ш ш ^
^
'
1 \
1-4-»
ч|/
1//Л)/////,'Л
I)
Рис. 7. Схемы контроля с демонстрацией использования принципа Аббе
11
Рис. 8, Схема, иллюстрирующая возник,
новенке погрешности при нарушении
принципа Аббе
Рассмотрим погрешности, возникающие при схеме контроля,
показанной на рис. 8. Если обозначить максимальный зазор в направляющих измерительного штока 5тах, то погрешность измерения
*»
(3)
где
=
Як. I , I, Н, 5шах);
/?д — радиус детали;
— диаметр контактного измерительного
наконечника; ^ и /г — плечи рычага; I—расстояние от нижней опоры до контролируемой поверхности детали; Н — расстояние между опорами.
В рассматриваемом случае Дд имеет отрицательный знак:
Дд
=
_
^ (1 _ соз а);
(4)
с=(Я/2+/)5ша;
где а — угол перекоса измерительного штока.
Анализ формулы (3) позволяет сделать вывод, что для уменьшения погрешности контроля необходимо уменьшить плечо рычага Н, увеличить расстояние между опорами Н и уменьшить
З а З ^ в опорах 5тах.
При прочих равных условиях схема на рис. 7, б создает большую точность, чем схема на рис. 7, в. Это объясняется не только
большим расстоянием между опорами первой схемы, но ее лучшим удовлетворением принципу наикратчайшей размерной цепи.
В соответствии с этим принципом большая точность контроля
получается не только при наименьшем числе звеньев схемы, но
и при наименьшей протяженности отдельных звеньев (при равном числе звеньев) в направлении линии измерений. Элементы
сравнения схемы на рис. 7, в находятся выше подобных элементов схемы на рис. 7, б, поэтому звенья второй схемы в меньшей
степени подвержены силовым и температурным деформациям.
Принципы выбора типов и параметров рычажных передач.
При выборе рычажных передач принцип Аббе пе применим,
однако и в этом случае необходимо выдерживать определенные
требования, а именно соблюдать постоянство передаточного отношения и высокую точность. Особенностью рычажной передачи
является наличие скользящего контакта в точке сопряжения
12
Рис. 9. Схемы передач с свкусными и тангенсными рычагами
сферы С ПЛОСКОСТЬЮ. Выбор сопряжения сфера — плоскость предопределен тем, что такие элементы могут быть выполнены с
высокой точностью. Задачу можно считать решенной, если определен тип рычагов, их число и вид шарнира. Если сфера расположена на поворотном звене (рычаг со сферами), сопряжение
называют синусным (синусный рычаг). Если поворотное звено
имеет плоскости, с которыми соприкасаются сферы, расположенные на поступательно перемещающихся звеньях, сопряжение называют тангенсным (тангенсный рычаг). Для синусного рычага
(рис. 9, а) основная зависимость, связывающая перемещение 5
поступательного звена с длиной рычага I и углом поворота ф,
имеет вид
5 = / 8 Ш (р Л:; / (<р—<рз/6 4". •.);
(5)
д л я тангенсного рычага (рис. 9, б)
(6)
Следовательно, в обеих рычажных передачах возникают
систематические погрешности, пропорциональные ф^, но знаки
этих погрешностей различны. Кроме того, погрешность тангенсного ръ1чагл в 2 раза больше, чем синусного. Для уменьшения
13
влияния систематических погрешностей оба плеча одного рыча,
га необходимо выполнять однотипными: либо синусными, либо
тангенсными. Центры сфер должны быть расположены на теоретическом рычаге в его начальном положении (6], а обе плоскости должны быть параллельны плечам теоретического рычага в этом положении и составлять с ними одинаковый угол одного знака.
Теоретический рычаг образуют так, чтобы его плечами
являлись перпендикуляры, опущенные из точки касания движений. Это положение рычага принимают за'исходное, и тогда
радиусы обеих сфер могут быть различными. По технологическим или конструктивным соображениям центры сфер в начальном положении часто смещают с теоретического рычага. Тогда
для синусного рычага в начальном положении должно быть
справедливо равенство 0 1 / 0 2 = г д е а\ и 02 — смещения центров сфер обоих рычагов, отсчитанные в одном направлении
перемещений поступательных пар (например, по часовой стрелке);
и /2 — длины плеч рычагов. Д л я тангенсных рычагов, в
которых рабочие плоскости проходят через ось качания, радиусы
сфер выбирают из соотношения Я\11^2=11/^2 при последовательной установке рычагов обоих видов (рис. 9, в) и соответствующей регулировке длины плеч рычагов можно взаимно компенсировать погрешности (погрешности третьего порядка малости) в
соответствии с формулами (5) и (6). Этот принцип используют
при проектировании рычажно-зубчатых головок (например, выбирают ад = 3/2; /з=/4).
При проектировании более сложных рычажных передач, контролирующих изделие в точках А м В (рис. 9, г), с суммированием результатов с помощью дополнительных рычагов (например, с плечами /5 и и ) следует придерживаться принципа равных
углов: наивысшая точность и простота двухточечных схем с двумя воспринимающими рычагами (1\ и /2) достигается при смещении контролируемой детали Д в направлении линии измерения АВ и повороте воспринимающих рычагов на одинаковый
угол.
В трехрычажной схеме (см. рис. 9, г) выходная точка С не
реагирует на смещение детали в направлении АВ, вызванном,
например, силовыми и температурными деформациями базирующих элементов. Однако точка соприкосновения С измерительной
головки с суммирующим рычагом неподвижна, если выдержаны
определенные соотношения плеч рычагов: и ^ и : А В = 0 \ 0 2 и
Например, часто выбирают соотношения /1//4=1/2;
/3/^2= 1/3; /5/^6=1/2. Сокращение числа промежуточных рычагов
при прочих равных условиях (неизменном передаточном отношении и т. п.) приводит к увеличению точности передачи, поэтому редко изготовляют передачи, использующие более четырех
рычагов.
14
1
1
. 1
1
—
4
Ш
л 1
| Э
г)
Рис. 10. Схемы шарниров:
.
. д)
'.
л — поступательное звено с плоскими пружинами; б — поступательное звено с плоскими
пружинами и промежуточными накладками на них; в — поступательное звено с троййыми пружинами; г —беспружинная рычажная передача с зазором типа опоры скольжения; о —рычажная передача с прорезью в опоре; е —рычажная передача с одной
пружиной; яе —рычажная передача с двумя крестообразно расположенными пружинами
,
Рычажные передачи получили преимущественное распространение не только из-за возможности обеспечения высокой точно- .
сти измерения, но и вследствие более широких, по сравнению с
поступательными парами, конструктивных возможностей по расположению измерительных головок. В ряде случаев используют
сочетание поступательных звеньев с . рычажными передачами
(см. рис. 7, е).
Опоры качения и скольжения для поступательно и вращательно перемещающихся пар ввиду низкой точности используют
в схемах измерения редко. Вместо передач типа показанных на
рис. 8 и 10, г применяют звенья, подвешенные на плоских пружинах. Пружинные опоры (рис. 10, а—в, д—ж) имеют значительно меньшие погрешности, связанные с непостоянством перемещения и поворота. Недостатки подобных передач — относительно
небольшие перемещения и возможность
потери
устойчивости плоских пружин при значительных на них продольных нагрузках.
4, ПРИНЦИП СОВМЕЩЕНИЯ ФУНКЦИИ КОНТРОЛЯ
с ФУНКЦИЯМИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ
В контрольной технике все шире применяют средства,
которые одновременно выполняют функции контроля и управления процессами эксплуатации и изготовления. С помощью этих
средств можно предотвратить брак, обусловленный изменением
параметров подготовительных операций и процессов, . состава
материалов, параметров окружающей среды и пр. Принцип совмещения контроля за протекающим (часто с высокими скоростями) процессом с оперативным управлением этим процессом
(не допускающим отклонений действительных параметров от
заданных) обусловил создание высокопроизводительного и автоматического оборудования, поскольку с интенсификацией произ15
водственного процесса, увеличением скорости его протекания
становится все сложнее визуально следить за отклонениями
параметров и все сложнее вручную управлять этими,параметрами.
..
'
Технической базой для возможности использования • этого
принципа являются быстродействующие, точные и надежные
средства измерения и автоматики. Принцип совмещения, контроля и управления производственным процессом находит.все большее распространение в различных отраслях машино- и аппаратостроения, поскольку позволяет совместить требования к высокой производительности или скорости- течения процесса с
повышением качественных показателей этого процесса, например точности.
Повышение точности и надежности соблюдения предписанных
характеристик и параметров текущего процесса с помощью временного и пространственного приближения средств контроля к
технологическому оборудованию возможно, как правило,.всегда, поскольку точность имеющихся средств контроля, как минимум, на порядок выше возможной точности осуществления производственного процесса (см. подразд. 1 данной главы). Общеизвестно, что повышение точности соблюдения предписанного
параметра приводит к значительному увеличению надежности
машины, но повышение точности процесса с помощью управляющих средств контроля — не единственная возможность увеличения экономической эффективности.
При соблюдении рассматриваемого принципа уменьшаются
расходы энергии, высвобождаются операторы, создаются предпосылки для комплексной автоматизации всего производственного процесса и т. д.
Совершенствование технологического производственного оборудования приводит к тому, что необходимый объем информации об объекте производства и число контролируемых параметров непрерывно растут. При этом ценность информации тем
выше, чем быстрее (с момента изменения контролируемой величины) она получена и использована для управления. Рассматриваемый принцип позволяет получить максимум необходимой
информации о контролируемом процессе и оперативно ее использовать для дальнейшего совершенствования самого процесса, причем контролируются не только основные, но и дополнительные влияющие параметры качества.
'В этой связи особенно перспективным является соединение
средств контроля с миниЭВМ и микропроцессорами, позволяющими значительно ускорить обработку поступающих сведений о
нескольких контролируемых параметрах.
Контроль за изменением дополнительных параметров позволяет в одних случаях осуществить непосредственную, более точную или быструю коррекцию процесса, а в других а1учаях при16
менить полностью автоматические самонастраиваюшиеся системы/стабильно поддерживающие заданные характеристики при
имеющихся внешних и внутренних условиях. Возможность автоматического контроля за процессом позволяет создавать системы непрерывного управления этим процессом, приближать закономерность его протекания к предписанной
(теоретической), выполнять управление не только по параметру,,
но и по его начальному и текущему значениям, по характеру или
последовательности этого изменения и т. п.
Передача контрольным системам функций управления производственным процессом не исключает сохранения за ними функций автоматической рассортировки изделий по группам качества,
поскольку информация об окончательном значении контролируемого параметра уже имеется (например, в запоминающем устройстве). Однако высоких качественных показателей осуществления производственного процесса можно достичь только одновременным • сочетанием высокого качества оборудования п
устройства управляющего контроля.
Широкое развитие принципа совмещения контроля и управления производственным процессом возможно на основе решения
конструкторских, технологических и метрологических задач при
создании нового, более совершенного оборудования. Общую тенденцию развития машиностроения в этом плане можно проследить по следующей схеме. Содержание чертежей по каналам
связи будет передаваться на технологические центры, в которых
методами машинного проектирования будут разработаны оптимальные (с учетом местных запасов'материала, инструмента,
приспособлений и оборудования) технологические процессы.
Затем будут спроектированы системы контроля и управления
производственными процессами с учетом обеспечения заданного
качества.
Поскольку качество изделий зависит от качества выбранного материала и заготовок, параметров предварительных процессов и других факторов, контрольное оборудование должно осуществлять коррекцию и предыдущих технологических операций.
Ввиду сложности этих процессов на всех этапах 'неизбежно
широкое использование вычислительной техники, которая оперативно обрабатывает исходные данные, позволяет осуществлять
автоматизированное проектирование чертежей, технологических
процессов, схем контроля и управления и т. п.
Средства контроля все шире используют для управления производственным процессом для исключения аварийных ситуаций»
предотвращения условий, способствующих их возникновению,
для защиты окружающей среды и т. д.
-к—
ш о ш л
- - т^ /м/Г
17
У о
ГЛАВА 2
ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ
1. УСТРОЙСТВА
КОНТРОЛЯ
ЛИНЕЙНЫХ
ВЕЛИЧИН
в настоящее время существует очень большое разнообразие различных средств контроля линейных величин и перемещений. Выбор принципа действия устройства контроля зависит от величины подлежащего контролю размера, необходимой
точности измерения, условий, при которых должно проводиться
измерение. Из всего разнообразия этих устройств рассмотрим
только те, которые могут быть использованы при автоматическом
конт1)оле.
При контроле больших размеров и перемещений с относительно невысокой точностью часто используют метод обегания
контролируемого размера с помощью ролика известного диаметра (рис. И ) . При вращении большого вала диаметром I) за
счет фрикционных сил приводится во вращение ролик диаметром
с( измерительного устройства. За один оборот большого вала
измерительный ролик делает п оборотов:
п=01а.
Это выражение позволяет определить диаметр большого вала,
если известен диаметр измерительного ролика
Диаметр большого вала может быть также определен по соотношению угловых скоростей вала, й и ролика <а:
Полученные выражения справедливы только в том случае,
если при вращении большого вала измерительный ролик приводится во вращение без проскальзывания. Практически это требование выполнить невозможно, и поэтому в результат измерения вносится погрешность: д^О=кЬ, где к = ( ь о — — относительный коэффициент проскальзывания, Уо и Vа — окружные
скорости большого вала и измерительного ролика.
Д л я уменьшения погрешности, вызываемой проскальзыванием, необходимо уменьшать коэффициент проскальзывания. Этот
коэффициент тем меньше, чем больше площадь контакта измеряемого вала и измерительного ролика. Увеличить эту площадь
можно двумя путями: увеличивая силу прижима Р измеритель18
ного ролика к валу и используя ролик
из материала с меньшей жесткостью.
Первый способ обычно не применяют,
так как "использование большой силы
прижима ролика к валу приводит как
к местной деформации вала, особенно
если жесткость материала ролика
больше, чем жесткость материала вала, так и к деформации вала в целом,
Рис. п . Схема измерения
например к поперечному прогибу вала, диаметра
вала с помощью
если вал закреплен на концах, а изме- измерительного ролика
рение проводится в его середине. Поэтому силу прижима обычно выбирают такой, чтобы она не вызывала сколько-нибудь заметных деформаций.
Уменьшение жесткости материала ролика приводит к увеличению местной деформации ролика, т. е. фактически к некоторому уменьшению его диаметра. Если вследствие деформации
диаметр ролика становится равным
2А, где Л —местная
деформация, то в результаты измерения вносится погрешность
Д 0 = 2лД.
При постоянных силе прижима ролика, жесткости материала
измеряемых валов и их диаметрах можно измерить вносимую в
результаты измерения погрешность и затем при последующих
измерениях вносить соответствующую поправку. Обычно так и
поступают, однако это не позволяет полностью устранить погрешность, так как деформация измерительного ролика зависит
от диаметра измеряемого вала, и она в принципе не может быть
постоянной. Кроме того, даже при серийном выпуске валов их
жесткость не удается получить абсолютно одинаковой вследствие
изменения химического состава материала и колебаний в режимах термообработки. Рассмотренная погрешность не позволяет
применять метод обкатывания измерительным роликом при точных измерениях.
Все сказанное относится и к измерению длины плоских деталей путем прокатывания по ним ролика и подсчета числа его
оборотов. Следует заметить, что при обкатывании цилиндрических деталей подсчет числа оборотов ролика за один оборот
детали может быть заменен измерением частот вращения вала ^в
и ролика ^р. В этом случае без учета проскальзывания
Примером использования рассмотренного метода контроля
диаметра изделия может служить контроль валов в процессе их
• обточки. В этом случае измерительный ролик помещается вблизи резца, обрабатывающего вал, и перемещается вдоль вала
вместе с резцом, непрерывно контролируя диаметр вала.
Наиболее часто при контроле больших размеров и перемещений используют метод сравнения, при котором измеряемый раз19
\
^Шттшшш.
Рис. 12. Схема измерения высоты методом сравнения
Рис. 13. Схема пневматического преобразователя с двумя соплами
мер сопоставляется (сравнивается) с известным размером
какой-либо меры или приспособления, выполняющего роль меры.
Основным преимуществом такого метода является то, что контроль большого размера сводится к контролю значительно меньшего размера. Так, например, при контроле длины детали 1
(рис. 12) эту деталь устанавливают на плиту 2. На плите стоит
колонка 3, наверху которой установлено контролирующее устройство 4. Это контролирующее устройство проверяет расстояние
между верхней плоскостью контролируемой детали и некоторой
плоскостью, на которую оно настроено. В этом случае роль меры
играют колонка и органы устройства контроля, определяющие
плоскость, относительно которой проводится измерение положения верхней плоскости контролируемой детали.
При автоматизации контроля наибольшее распространение
получили пневматические и электрические методы.
При пневматических методах измерения в качестве измерительного «щупа» 5 (см. рис. 12) используют сопло, к которому
от устройства контроля 4 подводится поток воздуха. В зависимости от требуемой точности измерения и возможного диапазона
колебаний контролируемого размера деталей выбирают тот или
иной вид сопла и метод измерения.
Д л я контроля размеров в рассматриваемых устройствах может использоваться либо зависимость между площадью 5 проходного сечения канала, по которому истекает воздух, и расходом воздуха ^ при постоянном давлении р либо зависимость
давления р от расхода воздуха ^ через проходное сечение.
В схеме пневматического преобразователя с двумя соплами
(рис. 13) с помощью калибровочного сопла 1 давление воздуха Р преобразуется в давление р воздуха в измерительной камере 2; давление в камере измеряется с помощью манометра 3. Это
давление зависит от сечения выходного измерительного сопла 4
и расстояния Д между ним и плоскостью контролируемого изде20
ЛИЯ 5. Точный расчет зависимости давления от величины А очень
сложен, поэтому зависимость р = / ( Л ) находят приближенно,
полагая, что воздух не сжимается и дЛя него уравнение непрерывности имеет вид
где р,. р^ —^плотности воздуха; 51, 52 —площади сечения сопел, о,, ка —скорости воздуха в
калибровочном сопле и в измерительном сопле или зазоре. Поскольку
где
— коэффициент истечения, то
Характеристика такого преобразователя (кривая 1) приведена на рис. 14. Если площадь зазора между соплом и поверхностью контролируемой детали значительно меньше площади
сечения измерительного сопла 4, то можно считать, что 52=я^2Д.
где
— диаметр измерительного сопла. Поскольку площадь З2
пропорциональна зазору Д, то с точностью до постоянного множителя можно считать, что характеристика / на рис, 14 является зависимостью давления от зазора.
Приведенная формула не позволяет получить характеристику
измерительного устройства с большой точностью, поэтому часто
пользуются экспериментальными данными, приводимыми в справочниках и руководствах.
' При очень маленьких зазорах на истечение воздуха через
зазор в сильной степени влияет шероховатость поверхности контролируемого изделия. Иногда для контроля шероховатости поверхности изделия сопло опускают на эту поверхность и измеряют либо давление в камере, либо расход воздуха через микрозазоры, образованные шероховатостью поверхности.
При малых зазорах характеристика р=Г(Л) нелинейна, и поэтому при контроле стремятся к тому, чтобы площадь зазора не
была меньше 5т1п- При больших зазорах чувствительность устройства также начинает уменьшаться, так как расход воздуха
все сильнее ограничивается не площадью зазора, а площадью
Рис. 14. Характеристики пневматических преобразователей:
/ — с двумя
соплом
соплами;
2 — с эжскторным
Рис. 15. Схемы сопел с заслонками:
а —плоской; б —конусной;
ндной; г — шариковой
а —параболо.
21
сечения измерительного сопла 52- Поэтому обычно используш
только линейный участок характеристики, ограниченный со ст
роны больших зазоров величиной 5'2.
С целью исключения влияния отклонения от плоскостности по
верхности контролируемой детали на истечение воздуха част
под соплом 1 (рис. 15) устанавливают специальную заслонку о
которая механически связана с измерительным наконечником 3
опущенным на контролируемое изделие
,
*
Д л я увеличения диапазона измерений применяют заслонкиплоскую (рис. 15, а ) , конусную (рис. 15, б) или параболоиднук>
(рис. 15, в ) . Иногда заслонку выполняют в виде шарика (рис.
15,^.
При конусной форме заслонки площадь проходного сечения
52 = ^^/2^2
®—
С05 а .
При уменьшении угла а увеличивается диапазон измерений, но
характеристика преобразователя, т. е. зависимость р=[(А2), становится более нелинейной. Промышленность выпускает преобразователи с углом а от 5 до 75® д л я диапазона измерений до 1 мм.
При шариковой заслонке
5 2 = лг
где
и г — радиусы шарика и сопла.
При параболоидной заслонке характеристика зависит от формы заслонки, теоретический расчет характеристики р=/('А) для
этого случая сложен и не точен; поэтому для таких заслонок
характеристику лучше исследовать экспериментально.
При плоской заслонке на основании опытных данных, технологических, метрологических и экономических соображений
рекомендуется выбирать измерительные
сопла диаметром 2 мм.
Значительное увеличение диапазона
измерений достигается использованием
эжекторных сопел (рис. 16), в которых
воздух под постоянным давлением р подается во входное сопло 1 диаметром
и из него поступает в измерительное сопло 4 диаметром
При этом рабочий поток воздуха засасывает воздух из камеры 3, давление в которой измеряет манометр 2. За счет засоса воздуха из камеры
3 давление в ней может сильно изменятьШ7Ш7Ш
ся и при больших расходах воздуха может становиться д а ж е отрицательным.
Рис. 16. Схема эжекторНа рис. 14 штриховой линией показана
пого сопла
22
характеристика преобразователя с эжекторным соплом (кривая
Сравнивая ее с характеристикой преобразователя с обычным
соплом (кривая 1), видим, что применение эжекторного сопла
лозволяет значительно расширить линейный участок характеристики (до значения 52'').
.. .
'На характеристику эжекторного сопла влияет форма измерительного сопла Ч. Например, при толщине пояска 6 более 0,5 мм
на характеристике наблюдаются скачки давления, поэтому поясок делают тоньше 0,5 мм. Максимальный прямолинейный участок характеристики при рабочих давлениях (1—2) -Ю® Па получается при длине измерительного сопла /1= (13,5^^2,^2—1,5 <^2).
Оптимальная длина конусной части камеры
^1)/0,63.
. Широкое распространение получили электроконтактные средства контроля. При работе двухконтактного (двухпредельного)
преобразователя (рис. 17, а) в зависимости от высоты контролируемой детали / замыкается нижний контакт 2, если деталь
меньше определенной высоты, или верхний контакт 3, если деталь больше другой определенной высоты. Если размер детали
находится в пределах между указанными значениями, то ни
один из контактов преобразователя не замкнут. Если электроконтактный преобразователь настроить таким образом, чтобы эти
значения соответствовали нижнему и верхнему пределам поля
допуска на контролируемый размер, то с помощью такого преобразователя контролируемые детали можно рассортировать на
три группы: годные и две группы с размерами, выходящими за
предельные значения поля допуска. При необходимости рассортировки деталей на большее число групп применяют многопредельные электроконтактные преобразователи. С помощью четырехконтактного (четырехпредельного) преобразователя (рис.
17, б) детали можно рассортировать на пять групп.
При разработке схемы включения электроконтактного преобразователя необходимо обратить внимание на то, чтобы, вопервых, включение и выключение электроконтактов преобразователя происходило при отсутствии электрического напряжения
3-
•г
1-
I 1
и
I
В)
ш ш т ш ш .
о- — двухпредельного;
Лого
б — четырехпредсль-
23
на них и, во-вторых, чтобы при работе через эти преобразовате
ли проходил возможно меньший электрический ток, С зтой
целью в автоматах предусматривают циклы, в которых последо.
вательно осуществляются следующие операции: установка конт!
ролируемой детали на измерительную позицию под измерительный наконечник преобразователя, включение электрической
схемы преобразователя, передача в запоминающее устройство
результата контроля, выключение электрической цепи преобразователя и, наконец, съем контролируемой детали с измеритель,
ной позиции.
Включение и выключение цепи измерительных контактов уже
после установки и до съема детали с измерительной позиции
осуществляется с целью исключения разрушения контактов в
результате проскакивания искры или возникновения дуги при
замыкании и размыкании контактов под напряжением. Такой
режим работы контактов позволяет значительно продлить их
срок службы.
Следует обратить внимание т а к ж е на то, чтобы при установке и съеме детали с измерительной позиции не происходило
изнашивания измерительного наконечника за счет трения его о
поверхность контролируемой детали. Кроме изнашивания измерительного наконечника при контроле может происходить налипание металла изделия на измерительный наконечник, например
при контроле алюминиевых деталей, в результате чего возникает большая погрешность при контроле.
Д л я повышения точности рассортировки изделий электроконтактные преобразователи выпускают рычажного типа, в которых
движение измерительного наконечника воздействует на короткое
плечо рычага, а длинное плечо этого ж е рычага перемещает подвижный контакт и обеспечивает замыкание и размыкание электрической цепи. С помощью новых отлаженных электроконтактных преобразователей можно получить погрешность рассортировки деталей менее 0,5 мкм. Однако при обычных условиях
эксплуатации с помощью рассматриваемых преобразователен
погрешность рассортировки не превосходит I—2 мкм.
1ри необходимости проведения более точного контроля линейных размеров используют индуктивные преобразователи
(рис. 18). Высота контролируемого изделия / определяет поло;
жение измерительного штока 2 и якоря 3, расположенного между сердечниками 4 и 5, на которых помещены катушки индуктивности. Индуктивность этих катушек зависит от магнитного
сопротивления их магнитопроводов, состоящих из сердечников,
якоря и воздушных зазоров между якорем и сердечниками. Чем
больше воздушный зазор, тем больше магнитное сопротивление
магнитопровода, меньше магнитный поток и, с л е д о в а т е л ь н о ,
меньше индуктивность катушки. Таким образом, при увеличени»?
высоты детали увеличивается зазор между якорем и нижниь?
24
сердечником 5 и уменьшается зазор .Д между якорем и верхним
сердечником 4. Это вызывает уменьшение индуктивности катушки на сердечнике 5 и ее увеличение на сердечнике 4
Следует отметить, что при перемещении якоря изменяются
не только индуктивности катушек, но и их активные сопротивления, так как они складываются из активного' сопротивления
самого провода катушки и вносимого в цепь катушки активного
сопротивления за счет потерь на перемагничивания сердечников
и вихревые токи в них.
При автоматическом контроле обычно для повышения точности контроля используют принцип компенсации, т. е. с помощью
каких-либо средств компенсации восстанавливают прежнее значение индуктивного сопротивления цепи, в которую включена
катушка, и по значению компенсационного воздействия определяют отклонение значения индуктивности, обусловленное перемещением сердечника.
Наша промышленность выпускает несколько типов индуктивных преобразователей со стальными сердечниками, которые для
уменьшения потерь на вихревые токи собраны из листовой трансформаторной стали. Такие индуктивные преобразователи обычно включают в мостовые схемы, причем, если преобразователь
дифференциальный, т. е. с двумя обмотками, выполненный так,
как это показано на рис. 18, то его обмотки включают в два
смежных плеча мостовой схемы (рис. 19), где 1и
Гх и га —
индуктивности и активные сопротивления обмоток преобразователя, Д л я восстановления баланса моста последовательно с каж-дой из обмоток может быть включен компенсационный элемент.
Однако, как указывалось выше, при изменении зазора в индуктивном преобразователе одновременно изменяется его индуктивное и активное сопротивления, поэтому и у компенсационного
элемента должно одновременно изменяться активное и индуктивное сопротивления. Для этого необходи[мы два органа компенсации: один по активному и другой по индуктивному , сопротивлениям, что вызывает определенные трудности.
'
Этих трудностей можно избежать, если сконструировать индуктивный преобразователь так, чтобы при перемещении
якоря его индуктивность Ь и активное со'противление г изменялись пропорционально друг другу и, следовательно, фаговый угол его сопротивления оставался
постоянным:
В этом случае Рис.
может использоваться схема, приведениндуктивного
т^ая на рис. 19, в которой компенсация преобразователя в мостоосуществляется перемещением скользя- вую схему
25
щего контакта по резистору (делителю = с сопротивлениями г
ГА). Использование только одного резистора возможно, так как
при постоянстве и равенстве фазовых углов уравнение баланса
моста
гз=22е^^» г а принимает вид 21Гз=22Г4, .
где
г ^ ^ / Л + О ^ .
В работе [2] показано, что Ь^уоЧЯн, где
т
и ^ ^ ш т т ^ сопротивление стального сердечника
/-1
магнитопровода, 1и З1 — длина и площадь поперечного сечения
1-го участка магнитопровода; р,/ — магнитная проницаемость;
— магнитное сопротивление воздушных зазоров; а; —число
витков в обмотке преобразователя.
Поскольку сердечники в индуктивных преобразователях работают в режиме, далеком от насыщения, магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода практически не зависит
от небольших колебаний магнитного потока, вызванных изменением длины воздушного зазора, и, следовательно, не зависит
от изменения воздушного зазора, которое вызывает изменение
сопротивления воздушного зазора, магнитного потока и индуктивности катушки.
Магнитная проводимость одного воздушного зазора 2//?,
складывается из проводимостей ряда участков магнитного потока, соединенных параллельно. Наиболее существенную роль
играет проводимость участка, расположенного непосредственно
между параллельными плоскостями полюсов сердечника и якоря, (2//?в|) = цо5/А. Проводимость остальных участков обозначим ЗДв'. Тогда полная магнитная проводимость воздушного зазора
Д) -I- (2//?:) = цо^з,,/Д,
2д
где
р - — эквивалентное сечение воздушного промежутка, при котором воздушный промежуток имеет ту же проводимость без учета других участков магнитного потока, которую действительный воздушный промежуток имеет с учетом
всех боковых участков реального магнитного потока. При небольших изменениях длины воздушного зазора А эквивалентную
площадь сечения 5экв можно считать величиной постоянной, так
как в слагаемом 2Д/(ро/?'в) с увеличением длины зазора Д одно-:
временно растет и множитель в знаменателе Я'в.
1
Чувствительность преобразователя
При измерениях воздушный зазор изменяется и поэтому, как
видно из полученной формулы, изменяется чувствительность пре26
образователя. Чтобы с достаточной степенью точности можно
было считать чувствительность преобразователя величиной постоянной в пределах используемых значений зазоров от Ашш до
Дтах, выражение 1/<ст+2Л/(цо5экв)] в полученной формуле почти
не должно изменять своего значения при изменении размера зазора, т. е.
Д л я выполнения этого приблизительного равенства необходимо, чтобы 2(Атах—Ат1п)/Смо5экв)<^?ст+2Лт1п/(|ю5экв).
Откуда
"гаах
"т1пЧ^"га1п
Из полученного неравенства следует, что при измерениях
нельзя сильно уменьшать зазор. Минимальное значение зазора
должно быть тем больше, чем больше диапазон изменения воздушного зазора в процессе измерения.
При изменении зазора относительная скорость изменения индуктивности еь~(с111(1А)11. Подставляя в это выражение значение I , получим
Активное сопротивление преобразователя
где ап и ов — коэффициенты потерь на перемагничивание и вихревые токи в сердечнике; т — масса сердечника; ^ — частота тока в обмотке преобразователя; 5ст — площадь сечения сердечника; 1/?пр и
— активное сопротивление провода обмотки
преобразователя и эквивалентное сопротивление, потребляющее
столько ж е энергии, сколько расходуется на перемагничивание
сердечника и вихревые токи в последнем.
Чувствительность преобразователя по активному сопротивлению
Шг/с1А)=-
8 (а„+а^)
(^ст+^в)'!-
Относительная скорость изменения активного сопротивления
' Д л я того чтобы в процессе изменения воздушного зазора фазовый угол ф полного сопротивления преобразователя не изменялся, необходимо соблюдать равенство еь=€г, т. е.
<^ткуда следует равенство 1=2/?9кв/('/?пр+^экв) и ^?пр=^экв.
• Так как сопротивление Яжв зависит от размера воздушного
зазора, значение последнего должно быть строго определенным.
27
Такой воздушный зазор называется критическим Дкр. Учитывая
значение ^экв, получаем
Дкр=0,51го5з«з {те»
При зазоре, близком к критическому, небольшие колебания
его значения не приводят к изменению фазового угла полного
сопротивления преобразователя, и это позволяет, как указывалось выше, проводить балансировку моста с помощью одного
органа балансировки, изменяющего соотношение сопротивлений
что особенно важно для работы автоматических мостов.
Значение критического зазора зависит от массы т сердечника и якоря, а также от площади поперечного сечения сердечника 5ст. С увеличением размеров сердечника значение критического зазора увеличивается. При Д > Л к р получим е / . > е г , т. е. с
увеличением воздушного зазора фазовый угол полного сопротивления преобразователя увеличивается, а при А < А к р уменьшается.
Критический зазор должен соответствовать среднему значению зазоров Д т 1 п и Д т а х , Т. 6 . Л к р = 0 , 5 ( Д т 1 п + А т а х ) , И, следовательно, для поддержания постоянства не только фазового угла,
но и чувствительности преобразователя по индуктивности необходимо выполнять неравенство
2
Дкр> Дт1а > у Дкр
I
^И-О'^экв^ст-
При использовании в устройстве контроля какого-либо индуктивного преобразователя, выпускаемого промышленностью, следует учитывать, что его критический зазор соответствует среднему значению зазора диапазона измерения только в том случае,
если этот преобразователь используется при частоте, на которую
он рассчитан. При использовании преобразователя на какой-либо другой частоте условие постоянства фазового угла полного
сопротивления преобразователя при изменении зазора выполняться не будет,
С помощью индуктивных преобразователей погрешность контроля линейных размеров и перемещений может быть снижена
до значений, меньших 0,5 мкм. Преимуществами дифференциаль-,
ных индуктивных преобразователей является их слабая чувстви-^
тельность к внешним условиям: температуре, внешним электрическим и магнитным полям. Именно поэтому индуктивные
преобразователи получили широкое распространение в автома-^
тических системах контроля.
^
Значительно большую чувствительность позволяют получить
емкостные преобразователи, в которых емкость изменяется V
результате изменения расстояния между электродами конден;
сатора, один из которых (электрод / ) неподвижен, а друго''
28
Рис. 20. Схема емкостного преобразователя
• »
(электрод 2) подвижен и связан с измерительным наконечником 3, контактирующим с изме-
где 5 —площадь пластин конденсатора; е —диэлектрическая
проницаемость среды между электродами конденсатора, ^ — расстояние между электродами. Средой между электродами конденсатора в большинстве случаев служит воздух.
Чувствительность емкостного преобразователя по перемещению одного из его электродов
аС1с1а=~-^81(1\
Малые диэлектрические потери емкостных преобразователей
позволяют включать их в высокочастотные схемы. Поэтому емкостные преобразователи обычно используют в резонансных
контурах,21_при работе изменяют их резонансную частоту
/ =
= 1/(2я'|/'1С),где I — индуктивность контура. Чувствительность
такого контура
Поскольку в настоящее время измерение частот проводится
с очень высокой точностью, применение емкостных преобразователей позволяет регистрировать изменение расстояния между их
электродами на 10"®—Ю-^ мкм. Однако, несмотря на такую высокую чувствительность резонансных схем с емкостными преобразователями, они получили ограниченное применение и, как
правило, применяются не для измерения перемещений, а для
измерения величин, которые изменяют их емкость за счет изменения диэлектрической проницаемости среды между электродами конденсатора.
Это объясняется нестабильностью работы емкостных преобразователей, емкость которых в большой степени зависит от температуры (при изменении последней изменяются площадь электродов и расстояние между ними) и диэлектрической проницаемости воздуха, которая, в свою очередь, зависит от влажности.
Высокую точность измерения перемещений позволяют получить фотоэлектрические преобразователи. Эти преобразователи
подразделяют на две основные группы: преобразователи интенсивности и преобразователи со сканированием, т. е. с разверткой изображения.
^
В преобразователях интенсивности должны быть приняты
меры, чтобы изменения яркости источника светового луча и чув29
ствительности фотоприемника
не влияли на результаты изме/
рения. В таком преобразовате.
1
2
ле (рис. 21) световой поток
идущий от источника света Д
с помощью призмы 2 или дру!
\
гого какого-либо устройства
разделяется на два луча; один
V
из них проходит через калибровочный канал, в котором установлена диафрагма 3, и на*
правляется на фотоприемник
4. Другой луч идет по измериРис. 21. Схема фотоэлектрнческого
преобразователя интенсивности с
тельному каналу, проходит че,двумя световыми каналами
рез измерительную диафрагму
7, ширина которой зависит от
размера контролируемого изделия 6, и попадает также на фотоприемник 4. Перед фотоприемником стоит колеблющееся зеркало 5, которое поочередно направляет на фотоприемник световой
луч — то из калибровочного, то из измерительного канала. Если
измеряется изделие, при котором через калибровочную и измерительную диафрагмы проходят одинаковые световые потоки,
то на фотоприемник все время падает постоянный световой поток, проходящий то через один, то через другой канал, при этом
в цепи фотоприемника проходит постоянный ток. Если размер
изделия отклонится от того, который был в предыдущем случае,
т о по измерительному каналу при увеличении диафрагмы 7 пойдет больший, а при ее уменьшении меньший световой поток, чем
по калибровочному каналу. И в том и в другом случае в цепи
фотоприемника появится переменная составляющая тока, так
как на фотоприемник поочередно из разных каналов падают
световые потоки, не равные друг другу. Чем сильнее увеличивается или уменьшается размер диафрагмы 7 и, следовательно, измеряемый размер изделия по сравнению с тем, при котором световые потоки в обоих каналах равны, тем сильнее различаются
световые потоки в каналах и тем больше переменная составляющая в цепи фотоприемника.
Следует отметить, что если диафрагмы в каналах пропускают одинаковые световые потоки, то изменение яркости источника
света или чувствительности фотоприемника не влияет на баланс
схемы и в цепи фотоприемника отсутствует переменная составляющая тока. Однако при разбалансе схемы переменная составляющая тока зависит от яркости источника света и от чувствительности фотоприемника, т. е. оба эти фактора влияют на
чувствительность фотоэлектрического измерительного устройства. Кроме того, на балансировку устройства может повлиять,
неравномерная загрязненность каналов, смещение зеркал, й
1
1
•
30
вследствие этого различная потеря светового потока в каждом
из каналов, и ряд других причин. Все это снижает точность измерительного устройства и требует его периодической проверки
и балансировки.
Д л я того чтобы можно было определить, в каком из двух
каналов проходит больший световой поток, следует испбльзовать
фазочувствительные выпрямители, опорным напряжением в которых должно быть напряжение, совпадающее по фазе с колебаниями вибрирующего зеркала в измерительном устройстве.
Фотоэлектрические устройства интенсивности по точности
и стабильности уступают фотоэлектрическим устройствам со
сканированием.
С помощью сканирования измеряемый размер преобразуется
в длительность импульсов. Примером такого устройства может
быть фотоэлектрический преобразователь, схема которого приведена на рис. 22. Диафрагме 2 сообщают колебательное движение, причем такой амплитуды, чтобы при смещении вправо и
влево она заходила за границы отверстия или щели 3, размер
которой измеряется. В этом случае интенсивность светового потока, идущего от источника света 1 на фотоприемник 4, периодически изменяется с частотой колебания диафрагмы 2. При смещении диафрагмы влево или вправо за пределы щели световой
поток прерывается, и через фотоприемник перестает проходить
фототок. В процессе движения диафрагмы над щелью через
фотоприемник проходит импульс фототока. О ширине щели можно судить по длительности импульса фототока. Чтобы длительность импульсов фототока была пропорциональна ширине щели,
устройство сканирования должно обеспечивать движение диафрагмы с постоянной скоростью.
В этом случае изменение интенсивности светового потока
источника света или чувствительности фотоприемника, а также
равномерная загрязненность светового канала могут привести
— 0 .
'V
-О
Рис. 22. Схема фотоэлектрического
преобразователя со сканирующей диафрагмой
Рис 23. Импульс фототока при контроле диаметра проволоки с помощью
сканирующей прямоуголыюй диафрагмы
31
к изменениям амплитуды импульсов фототока, но не скажутся
на их длительности, т. е. на результатах измерения ширины
щели.
,
Аналогично может быть построено фотоэлектрическое устройство для измерения толщин нитей, проволоки и т. п. В'этом слу.
чае вместо щели используют нить или проволоку, и,сканирующая ее диафрагма, размер которой меньше диаметра проволоки,
лоочередно пропускает световой поток то слева, то справа от
этой нити. Во время прохождения диафрагмы через нить световой поток прерывается ею, и в фотоприемнике уменьшается фототок, т. е. возникает отрицательный импульс фототока. ДлительБость этого импульса определяет ширину нити.
При использовании прямоугольной диафрагмы и контроле
лроволоки, контролируемый участок которой не имеет конусности, передний и задний фронты импульса фототока (рис. 23)
соответствуют промежуткам времени, в течение которых диафрагма «находит> и «сходит» с проекции проволоки. При использовании параллельного светового пучка и движении диафрагмы ,
со скоростью V по размерам импульса можно определить размер
как диафрагмы, так и контролируемой проволоки. В начальный
период фототок достаточно велик, и, следовательно, световой поток, проходящий через диафрагму, не задерживается проволокой. Затем фототок начинает постепенно уменьшаться — это значит, что диафрагма стала находить на проекцию проволоки и
проволока стала задерживать световой поток, идущий через диафрагму. Длительность переднего фронта импульса
определяет
"ширину диафрагмы: й^^=x\V. По окончании переднего фронта
импульса вся диафрагма перекрыта проволокой и прямой световой поток от источника не попадает на фотоприемник. В течение интервала времени та диафрагма движется за проволокой.
Затем она начинает выходить из-за проволоки и световой поток
постепенно увеличивается. Постоянство ширины диафрагмы и
отсутствие конусности на контролируемом участке проволоки, а
также постоянство скорости сканирования обеспечивают равенство длительностей переднего и заднего фронтов импульсов:
Т1=тз. Если это равенство не соблюдается, то либо сечение проволоки не прямоугольно, либо скорость сканирования непостоянна.
Диаметр проволоки может быть определен, исходя из следующих соображений. Начало переднего импульса соответствует
моменту нахождения переднего края диафрагмы на проекцию
проволоки, а начало заднего импульса — началу схождения диафрагмы с проекции проволоки. Следовательно, передний край
диафрагмы проходит проекцию проволоки за время тп+тг- Зная
скорость движения диафрагмы V, можно определить диаметр
проволоки ^ПР=СТ1+Т2)1^. Аналогично диаметр проволоки может
быть определен как й щ ^ (т2+тз)с.
32
,
'
форму круга, пвредний и задний
фронты импульса представляют собой отрезки синусоид. В начале и конце фронтов световой поток меняется в этом случае медленна, и фронты имеют форму синусоидальных кривых в пределах от максимума до минимума (передний фронт) и от минимума до максимума (задний фронт). Как в этом случае, так и при
других формах диафрагмы (при прямоугольной диафрагме за
счет искажения; ее формы и перекоса относительно проволоки)
начало и конец фронта импульса имеют закругленную форму.
Поэтому определять диаметр проволоки по интервалу времени
Т1+Т2 или Т2+Т3 оказывается неудобным, поскольку нельзя точно определить начало и конец фронта импульса. Обычно определяют диаметр проволоки по интервалу времени (Т1/2+Т2+
+тз/2). При этом приходится использовать специальные схемы, позволяющие определять моменты времени, соответствующие середине фронтов импульсов.
Д л я измерения больших перемещений используют фотоэлектрические микроскопы, которые позволяют точно осуществлять
наводку на штрихи штриховых мер —линеек. В фотоэлектрических микроскопах' колеблющаяся диафрагма 5 (рис. 24) при
своих колебаниях поочередно пропускает световой поток от источника света 4 то справа, то слева от штриха 2 линейки. Через
стеклянную линейку световой поток попадает на фотоприемник К В цепи фотоприемника проходит ток, амплитуда и форма
которого определяются смещением оси диафрагмы 00' относительно оси оптической системы АА', При совпадении оси штриха ВВ' с осью АА' в цепи фотоприемника проходят импульсы
фототока (рис. 25, а), одинаковые
как при отклонениях диафрагмы
влево от непрозрачного штриха, так
и вправо от него. Если амплитуда
колебаний диафрагмы такова, что
не выходит при ..своих .колебаниях
за пределы светового ; потока, то в
цепи фотоприемника проходят • импульсы тока с частотой .2/^, где ^—
частота колебаний.диафрагмы.
^
,При смещении оси штриха
(см. рис. 24) относительно оси АА'
длительность импульсов фототока
при отклонении диафрагмы.влево и
вправо от оси В В' становится различной. При несовпадении осей импульсы тока содержат составляющую с частотой колебаний диафрагмы Амплитуда гармоники с часто- Рис. 24. Схема фотоэлектричетой / растет практически пропорцио- ского микроскопа
2-185
33
т
\
рис. 25. Токи в фотоэлектрическоу
микроскопе:
с —форма импульсов при симметричном
(сплошвая
линия)
и
яесимметричвои
(штриховая ЛИВИЯ) расположении штриха
шкалы относительно оси оптической системы микроскопа: О — зависимости ампли.
туд первой
н второй
гармовик тока
иа выходе фотоэлектрического преобразо.
вателя от смещения штриха шкалы
нально смещению Л (рис, 25,6).
Фотоэлектрические микроскопы рассмотренного вида и
другие позволяют обеспечить
точность наведения на штрих
шкалы, характеризуемую средней квадратической погрешностью в сотые доли микрометра.
По значению тока первой гармоники можно определить смещение штриха относительно оси колебаний диафрагмы. Отсчет этого смещения можно проводить в небольшом диапазоне (единицы и десятки микрометров), но с очень высокой точностью (с погрешностью менее 0,1 мкм). Это позволяет по смещению штриха, нанесенного на изделие, следить за деформацией изделия,
вызванной его нагревом или какими-либо другими причинами.
Кроме фотоэлектрических микроскопов, наводящихся на
штрих, существуют системы, которые наводятся на край тени,
т. е. контур изделия. Такие микроскопы позволяют очень точно
контролировать ширину изделий, если положение одного его
края жестко фиксировано.
Недостатком рассмотренной схемы фотоэлектрического микроскопа является использование в ней механически колеблющейся диафрагмы. Недостатками такой диафрагмы являются малые
амплитуда и частота сканирования. Значительно большие
амплитуду и частоту сканирования можно получить, используя
электронно-лучевые трубки или отклоняя световой луч, проходящий через кристалл, с помощью электрического или магнитного поля.
Остановимся более подробно на возможности использования
для модуляции, т. е. управления световым потоком, акустических волн, распространяющихся в жидкости.
В акустооптической шкале 6 (рис. 26) с помощью пьезоизлучателя
подключенного к генератору 1, возбуждается стоячая
ультразвуковая волна между излучателем и отражателем 7;
установленным в конце шкалы. Отсчетное устройство содержит.
'
диафрагму 4, расположенную в фокуГ а ж Р п и П ! . ' " объектив 5, формирующий в плоскости 9 изоблаГеп юм^иХ?^^^^^^^
Изображение такой шкалы при
лазерном источнике светового излучения приведено на рис. 2г.34
^
гпЛ'акустооптической
счетным устройством
шкалы с ОТ'
Рис. 27. Изображение ультразвуковой волны
при лазерном источнике света
При перемещении шкалы происходит смещение полос изображения в плоскости Я регистрируемое фотоэлектрическим устройством 10 (см. рис. 26). Смещение полос на один шаг соответствует перемещению шкалы на Я/2, где Я —длина ультразвуковой волны. Изменяя частоту генератора, можно управлять
расстоянием между штрихами шкалы. Возможно одновременное
возбуждение в шкале набора акустических волн различных
частот.
Кроме шкал со стоячими волнами, которые имеют ряд существенных недостатков, можно использовать шкалы с бегущими
волнами. Д л я получения такой шкалы в рассмотренной конструкции отражатель 7 должен быть заменен на поглотитель, в результате чего в шкале 6 должна исчезнуть отраженная волна,
создающая вместе с волной, падающей на поглотитель 7, стоячую волну. В таком устройстве изображение шкалы перемещается со скоростью, соответствующей распространению ультразвуковой волны в шкале. Для получения из такой бегущей шкалы
неподвижной следует световой поток, прошедший через ультразвуковую шкалу, в которой волна распространяется в одном
направлении, пропустить через расположенную параллельно
первой вторую аналогичную шкалу с ультразвуковой волной,
распространяющейся с той же скоростью в обратном направлении. После выхода луча из второй шкалы возможно получение
изображения неподвижной шкалы, у которой путем изменения
частоты ультразвуковых колебаний можно менять не только
цену деления, но и смещать все изображение шкалы на заданную величину, изменяя фазу колебаний в одной из ультразвуковых шкал.
Д л я измерения смещений можно также использовать позиционно-чувствительные фотоприемники, основанные на различных
2*
35
принципах. Примером такого фотоприемника м о ж е т служип
разрезной фоторезистор или фотопотенциометр. И х применение
ограничивается недостаточно высокой точностью определения
смещения объекта наблюдения.
Большое разнообразие средств, пригодных для автоматизации контроля перемещений и размеров, часто затрудняет выбрр
наиболее оптимального метода контроля. Поэтому после пред.
варительного выбора двух—четырех методов следует провести
более подробный анализ особенностей применения выбранных
методов в конкретных условиях и уже на основе этого анализа
делать окончательный выбор.
При измерении какого-либо размера контролируемого издеЛИЯ или детали следует обращать особое внимание на условия, '
при которых проводятся измерения, так как изменение этих
условий может привести к изменению измеряемой величины,
Так, например, при колебаниях температуры контролируемые
размеры изменяются за счет расширения тел при их нагреве.
Поэтому высокоточный контроль размеров стальной детали при
температуре 4 0 т е р я е т смысл, если при сборке температура
детали 20 С. Аналогично изменяются размеры деталей подвоздействием сил, крутящих моментов и т. д. Если одновременно с
измерением размеров измеряются факторы, вызывающие эти изменения, то обычно возможен расчет размера при заданных значениях указанных факторов. Следовательно, при контроле размеров изделий или деталей может стать необходимым контроль
других величин.
2. УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ СИЛ УПРУГОСТИ
Сила упругости возникает в упругом элементе при воздействии на него внешней силы, вызывающей его деформацию.
Таким образом, сила упругости неразрывно связана с деформациями, возникающими в упругом элементе под воздействием
определенных внешних сил. Д л я определения силы упругости,
воздействующей на упругий элемент, измеряют его деформацию.
В зависимости от значения деформации целесообразно применять те или другие методы измерения.
Все методы измерения деформаций подразделяются на две
группы. К первой группе относятся методы, при которых определяется смещение границы упругого элемента при известном
силовом воздействии на него. Ко второй группе относятся методы, при которых преобразователи наклеивают или каким-либо
другим способом устанавливают на упругих элементах и они
деформируются вместе с этими элементами. На преобразователи
действует часть усилия, подаваемого на упругий элемент, но эта
часть обычно настолько мала, что практически можно считать,
что вся приложенная сила действует на упругий элемент.
36
рис. 28. Устройства для измерения деформаций;,: ,
в — с помощью фотоэлектрического микроскопа; б —
с помощью струнного преобразователя
Если вызываемая деформация достаточна велика, то ее определяют теми способами, которые были указаны
для измерения перемещений. Поэтому
контроль упругих сил может проводиться электроконтактными, индуктивш т т .
ными, пневматическими и другими преобразователями,
' При малых деформациях удобно использовать фотоэлектрические микроскопы • (рис. 28, а). На заданном расстоянии от
нижнего основания упругого элемента 1, который деформируется под воздействием усилия Р, наносится метка в виде штриха 2.
На эту метку наводится фотоэлектрический микроскоп 3. При
деформации упругого элемента штрих смещается, и значение
его смещения измеряется фотоэлектрическим микроскопом. Такой способ измерения деформаций удобен в тех случаях, когда
доступ к упругому элементу затруднен или невозможен, например упругий элемент находится в вакуумной камере и наблюдение за ним возможно лишь через прозрачное окно.
При втором методе измерения наибольшее распространение
получили тензопреобразователи, а среди них тензорезисторы.
Наибольшую стабильность обеспечивает применение проволочных или фольговых тензорезисторов, которые наклеивают на
деформируемую деталь. Если деталь подвергается сжатию или
растяжению, то наклеивают два тензорезистора, которые включаются в противоположные плечи измерительного моста. При
деформациях изгиба тензопреобразователи наклеивают так, чтобы один из них подвергался деформации растяжения, а другой— деформации сжатия. В этом случае тензорезисторы включают в соседние плечи мостовой схемы.
Использование наклеиваемых тензорезисторов при контроле
удобно только в тех случаях, когда с их помощью необходимо
контролировать деформацию детали многократно в течение ее
эксплуатации. В тех же случаях, когда необходимо контролировать деформации у многих деталей, удобнее применять преобразователи, позволяющие осуществить временное присоединение
их к контролируемой детали. На рис. 28, б г приведен пример
укрепления на контролируемом стержне 1 струны 4, находящейся в натянутом состоянии. Ее натяг обеспечивается парой в и н т гайка 2, установленной на верхнем кронштейне 3, служащем для
крепления струны. Перед нагружением стержня измеряют частоДу собственных колебаний струны, а затем эту величину измеряют после нагружения стержня и, следовательно, деформации
37
' 1-
струны. По изменению собственной частоты струны судят о з^ |
чении деформации. При таком методе контроля струна должц, !
быть настолько тонка, чтобы усилие, необходимое для ее дефоп |
мации, было несравнимо меньше усилия, прикладываемого ^
стержню.
Аналогично могут крепиться магнитострикционные и пьезо. '
электрические преобразователи. Однако для их деформаций тре^ !
буется значительно большее усилие, чем д л я деформации струн. '
ного преобразователя.
I
Применение полупроводниковых преобразователей ограничено зависимостью их характеристик от температуры и, в ряде
случаев, недостаточной стабильностью и проявлением явления
последействия.
З.УСТРОПСТВА КОНТРОЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ,
СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА И ТВЕРДОСТИ
ПОВЕРХНОСТИ
I
,
I
Качество термообработки изделий наиболее достоверно может быть проверено путем приготовления среза и последу- '
ющего микроскопического анализа. При автоматизации такого ;
контроля наибольшую трудность представляет автоматизация
микроскопического анализа. Д л я этой цели в настоящее время ,
созданы специальные приборы, основанные на следующем принципе действия. Поверхность шлифа обегается лучом строчка за I
строчкой, как это делается при телевизионной передаче изображения. Однако из-за недостаточной чувствительности телевизионных воспринимающих трубок в таких устройствах в качестве
фотоприемников обычно используют высокочувствительные фотоэлектронные умножители. Системы развертки, как правило,
применяют механические. Их недостаток — большое время, затрачиваемое на полную развертку участка шлифа, которое обычно составляет доли секунды, — здесь не играет роли, потому что
оно несравненно меньше времени, затрачиваемого на все другие операции, связанные с подготовкой шлифа к микрометрическому анализу. Полученные от фотоприемника сигналы поступают в ЭВМ, где обрабатываются по специальной программе,
позволяющей установить размер зерен в срезе, их число и расположение. В результате на выходе ЭВМ получается информация,
достаточно полно и точно характеризующая внутреннюю структуру материала после термообработки.
Недостатком такого метода контроля является разрушение
детали, структура материала которой контролируется. Поэтому
вместе с рабочей деталью термообработке приходится подвергать деталь-свидетель, обладающую теми ж е свойствами, что и
рабочая деталь. Затем разрезается деталь-свидетель, и по ее
структуре судят о структуре рабочей детали. Недостатками
38
этого метода являются погрешность, возникающая в результате
того, что невозможно изготовить рабочую деталь и деталь-свидетель с абсолютно одинаковыми свойствами, и большая трудоемкость операций контроля.
Чтобы избежать разрушения контролируемой детали, используют косвенные методы, в той или иной степени характеризующие внутреннюю структуру металла после его термообработки.
Среди этих методов в первую очередь следует отметить метод, основанный на явлении, получившем название магнитных
шумов, или шумов Баркгаузена. При перемагничивании материала его кривую гистерезиса обычно изображают в виде гладкой
петли. В действительности эта петля представляет собой ломаную линию со скачками, объясняющимися доменным строением
материала. Под действием магнитного поля домены, характеризующие магнитные свойства микрообъема материала, поворачиваются, и в результате этого магнитная индукция В меняется
скачком.
. На рис. 29 приведен в качестве примера участок кривой перемагничивания в таком масштабе, что на кривой видны скачки
Баркгаузена. Изменение индукции АВ и частота следования этих
скачков характеризуют внутреннюю структуру материала. Д л я
анализа этих скачков деталь устанавливают в катушку, создающую переменное магнитное поле. Одновременно на деталь
надевают приемную катушку, в которой наводится ЭДС в результате изменения магнитного поля в детали, причем под воздействием скачков магнитного поля в приемной катушке получаются импульсы ЭДС, анализируемые и подсчитываемые дальше электронной схемой.
Анализ скачков Баркгаузена позволяет выявить очень много
данных о внутренней структуре материала и его свойствах. Так,
например, было показано, что по шумам Баркгаузена можно
не только контролировать существующую структуру, но и прогнозировать стабильность работы ферритов ых сердечников.
Самым простым методом контроля
термообработки является проверка ее по
магнитной проницаемости. Для этого образец контролируемых деталей, заранее
проверенный другими какими-либо более
точными методами, вводят в качестве
сердечника в катушку индуктивности и
замечают изменение индуктивности катушки, возникающее в Результате введе^^^
участок харакния детали. Затем в процессе контроля
^^ристики перемагничианалогичных образцу деталей их поочевания стали со скачками
редко вводят в катушку и для каждой деБаркгаузена
39
тали замечают изменение индуктивности катушки. Если это из- '
менение близко по значению к тому изменению, которое было ^
при введении образцовой детали, то термообработка считается
удовлетворительной. Если изменение индуктивности значительно отличается от того, которое было при образцовой детали, де.
таль бракуется. К сожалению, при этом простом методе конт^
роля иногда допускаются существенные ошибки, и в число Ьд.
ных деталей может быть пропущена деталь, у которой структура
значительно отличается от требуемой, но влияние на катушку
индуктивности близко к влиянию образцовой детали за счет несколько иных геометрических размеров, химического состава
и т. п.
Поверхностная твердость материалов обычно проверяется
вдавливанием в поверхность контролируемой детали шарика или
тела какой-либо другой формы при определенной силе и измерением размера отпечатка, остающегося на поверхности детали.
Во всех случаях размер отпечатка связан строго функциональной зависимостью с глубиной вдавливания. Однако при неавтоматизированном контроле удобнее измерять ширину отпечатка,
чем его глубину.
При автоматизации контроля условия изменяются, и обычно
удобнее измерять глубину внедрения тела, воздействующего на
исследуемую поверхность. Одним из описанных выше методов
для измерения малых перемещений определяется перемещение
стержня (обычно по мётке — штриху, нанесенному на него), передающего силу от ее источника к телу, внедряющемуся в контролируемую поверхность. При этом измеряют перемещение метки при изменении силы, воздействующей на тело внедрения, от
одного заданного значения до другого. Необходимость такого
измерения объясняется тем, что если измерять перемещение
метки по отношению к ее положению при отсутствии силы, то в
результаты измерения могут быть внесены значительные погрешности за счет влияния шероховатости контролируемой поверхности и наличия зазоров в кинематической цепи, по которой сила
передается на тело внедрения.
Косвенно поверхностную твердость можно контролировать
так же, как и микроструктуру, индуктивным методом, но в отличие от контроля микроструктуры, при которой магнитное поле
должно охватывать всю деталь, при контроле микротвердости
поверхности магнитное поле должно пронизывать только поверхность детали. Так как глубина проникновения поля в металл,
удельная проводимость которого у,, может быть определена по
формуле 8=1/2/(шц7),
для проникновения поля на малую
глубину необходимо резко повысить частоту тока в катушке
индуктивности.
Как и в предыдущем случае, при индуктивном методе контроля микротвердости изменение индуктивности, соответствую40
щее требуемой микротвердости, определяется по .образцовой
детали и, поскольку у контролируемых деталей химический состав может несколько отличаться от химического состава образцовой детали (так же как ее геометрические размеры) в результаты .контроля могут быть внесены значительные погрешности.
Поэтому, если контроль поверхностной микротвердости имеет
существенное значение для определения работоспособности детали, то косвенные методы измерения применять нецелесообразно.
4. УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ МАССЫ
/
Устройства для измерения и контроля массы подразделяются на две основные группы.
К первой группе устройств относятся приборы, при использований которых масса измеряемого тела определяется по его
весу, т. е. силе тяготения, действующей на него. Поскольку сила
тяготения Р=т§, то, следовательно, она зависит не только от
измеряемой массы тела т, но и от ускорения свободного падения
вызванного силой земного тяготения. К сожалению, это
ускорение зависит от многих факторов: широты того места, где
проводится измерение, высоты над уровнем океана, местных
условий, вызывающих искажение поля земного тяготения. Поэтому при использовании описываемого метода его необходимо
совмещать с методом сравнения, при котором измеряемая масса
сравнивается с образцовой массой по весу.
Д л я повышения точности измерения лучше применять нулевой метод сравнения, при котором измеряемая масса равна образцовой. Этот метод применяют в дозирующих автоматах, в которых в бункер или тару насыпается отмеряемое вещество до тех
пор, пока его масса не сравняется с образцовой. Причем такое
сравнение может проводиться не непосредственно, а в соответствии с методом замещения: вначале определяется реакция
измерительной системы на образцовую массу, а затем отмеряется такое количество измеряемого вещества, которое вызывает ту
Же реакцию измерительной системы, что и образцовая масса.
Рассмотрим измерительное устройство, работающее по описанному принципу (рис. 30). В бункер 1 сначала устанавливается
образцовая масса 2, под действием которой сжимается пружина 3 II несколько опускается подвижный контакт 4. Затем с помощью микрометрического впита 6 поднимают регулируемый
контакт 5 до тех пор, пока он не замкнется с контактом 4. После
этого образцовая масса вынимается из бункера, и в него из подающего устройства 7 засыпается измеряемое веществво до тех
пор, пока замкнутся контакты 4 и 5.
При автоматическом определении массы тел весы также тарируются предварительно с помощью образцовых масс, которым
41
Рйс, 30. Схема устройства измерения
массы, основанного на методе замещеки я
Рис. 31. Схема контроля массы по
моменту инерции
соответствуют определенные оцифрованные деления на шкале
весов, а затем интервалы между этими делениями делят на более мелкие промежутки, обычно предполагая, что шкала равномерная. При этом в электроконтактных весах контакты могут
устанавливаться не только у оцифрованных делений, но и у промеяточных.
Такие весы должны периодически проходить поверку и регулировку, исключающую возникновение погрешности больше
допустимой за счет изменения упругих свойств пружины.
В рычажных весах измеряемая масса уравновешивается образцовой массой, причем при неравенстве плеч измеряемая
масса не равна образцовой. Это позволяет уравновешивать любую измеряемую массу в заданном диапазоне одной определенной образцовой массой- В таких весах нет пружины, которая
может вносить значительную погрешность в измерения, но зато
вносится погрешность за счет температурного расширения плеч,
смещения центра массы измеряемого тела и других причин.
Ко второй группе устройств относятся такие, в которых масса определяется по ее инерционности. При таком методе измерения массе сообщается определенная скорость, и затем она
резко затормаживается. При этом масса определяется по импульсу силы, который она развивает. В измерительном устройстве, основанном на рассматриваемом методе (рис. 31), измеряемую массу I закрепляют на конце рычага 2, которому от
двигателя сообщается определенная угловая скорость вращения (0. Затем на траекторию движения массы выдвигается преграда 3, в которую масса ударяет. Измерение импульса силы
удара позволяет определить массу.
5. УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ
СКОРОСТЕЙ
И
УСКОРЕНИЙ
Устройства контроля скоростей и ускорений подразделяются на две основные группы: устройства для контроля угло42
вых скоростей и частот вращения и устройства для контроля поступательных
скоростей и ускорений.
Д л я контроля угловых скоростей и частот вращения наибольшее распространение получили^ тахогенераторы, представляющие собой электрические генераторы
машинного типа, у которых какой-либо
параметр генерируемого электрического
Характеристика
напряжения зависит от измеряемой ско- "^ахогенератора
рости.
У тахогенераторов постоянного напряжения генерируемое
напряжение практически пропорционально частоте вращения
якоря генератора (рис, 32). Нелинейность характеристики такого тахогенератора, т. е. максимальное отклонение реальной характеристики тахогенератора от прямой линии, проведенной
через точки реальной характеристики, соответствующей границам диапазона измерений, достигает 3—5% от максимального
напряжения на тахогенераторе при верхней границе диапазона
измерений, совпадающей с верхней границей рабочего диапазона тахогенератора.
Такие тахогенераторы могут быть как с постоянными магнитами, выполняющими роль полюсов в генераторе, так и с
электромагнитами, обмотки возбуждения которых питаются от
вспомогательного источника постоянного тока. Обычно магнитная цепь генератора рассчитывается таким образом, что полюса находятся в режиме насыщения, и поэтому небольшие изменения тока возбуждения слабо влияют на величину магнитного
поля и, следовательно, генерируемое напряжение.. Это уменьшает влияние тока подмагничивания на генерируемое напряжение и вносимую этим влиянием погрешность измерения, но не
исключает ее полностью. При постоянных магнитах также создается погрешность за счет изменения магнитного поля, которое
несколько ослабляется с течением времени. С целью компенсации
этой погрешности в тахогенераторы вводят специальные корректирующие устройства, однако для их использования необходимо
иметь специальную установку, позволяющую получить строго
заданную частоту вращения, при которой генерируемое напряжение устанавливается требуемой величины.
Преимуществом тахогенераторов постоянного тока является
их простота, однако они имеют и существенный недостаток: наличие в них коллектора не позволяет измерять малые частоты
вращения, при которых на результаты измерения начинает влиять пульсация напряжения при переходе щеток с одной пластины коллектора на другую, и большие частоты вращения вследствие выпучивания обмотки якоря под действием сил центро43
стремительного ускорения и искрения щеток, скользящих по
коллектору.
При измерении повышенных частот вращения имеют преиму.
шества тахогенераторы переменного тока. Прежде всего это
объясняется высокой точностью измерения частот вращения
которая обусловлена преобразованием частоты вращения в час'
тоту переменного напряжения / :
/ р = / / Л
где р — число пар полюсов тахогенератора, /р — частота вращения ротора, 1/с.
Внешние факторы, воздействующие на тахогенератор, могут
изменять амплитуду генерируемого им напряжения, форму этого
напряжения, но не сказываются на частоте. Кроме того, электрические частотомеры имеют значительно большую точность,
чем приборы для измерения токов и напряжений.
Недостатком таких тахогенераторов является невозможность
измерения малых частот вращения, при которых длительность
периода переменного напряжения становится настолько большой, что приходится переходить от измерения частоты напряжения к измерению длительности периода. Это сразу увеличивает погрешность измерения, так как при определении частоты
обычно подсчитывается число периодов за время измерения и
таким образом проводится усреднение результатов по числу
периодов за это время, а при измерении периода определяется длительность одного периода, на которой сказываются
погрешности геометрического расположения полюсов в тахогенераторе.
В тахогенераторах переменного тока с контактными кольцами, через которые подводится ток возбуждения к обмотке, расположенной на роторе, верхний предел измеряемых частот
вращения ограничен выпучиванием обмотки на роторе и ненадежностью работы скользящих контактов при высоких частотах
вращения. Поэтому высокоскоростные тахогенераторы выполняют с полюсами на постоянных магнитах. Б тахогенераторах,
рассчитанных на измерение очень больших частот вращения,
ротор выполняется в виде цилиндра, т. е. с неявно выраженными полюсами- Постепенное размагничивание полюсов не оказывает влияние на точность измерения, так как это постепенно
снижает амплитуду генерируемого напряжения и не влияет на
его частоту. Д л я повышения частоты электрического напряжения с целью расширения диапазона измеряемых частот вращения в сторону их меньших значений в генераторе иногда предусматривают большое число пар полюсов (8—12), однако это, как
правило, приводит к увеличению размеров тахогенератора. '
44
Очень малые частоты вращения, которые невозможно измерять с помощью тахогенераторов, обычно измеряют косвенным
способом: на вращающемся теле делают метку и определяют
одновременно угол, на который поворачивается тело, и время этого поворота. На основании этих измерений определяется средняя угловая скорость вращения за выбранный промежуток времени.
При измерении очень больших частот вращения применение
тахогенераторов также нецелесообразно вследствие сложности
их конструктивного выполнения и большой мощности, потребляемой ими.
' Обычно при измерениях больших скоростей на вращающемся
теле делают метку и с помощью фотоэлектрического устройства
подсчитывают число импульсов фототока, вызываемых прохождением этой метки под лучом, падающим от источника света на
вал с меткой и отраженным от вала на фотоприемник. При этом
метка может изменять как степень прозрачности вращающегося
тела, так и степень отражения непрозрачного или частично прозрачного тела.
Есть много методов измерения как вращательных, так и поступательных скоростей, основанных на явлениях реакции среды,
окружающей тело, на его движение. Однако этими методами
фактически измеряют не скорость тела относительно некоторой
системы координат, принятой за неподвижную, а скорость тела
относительно среды, т. е. координат, движущихся вместе со средой. Поэтому эти методы мы рассматриваем в подразделе, посвященном измерению скоростей потоков.
Измерение скоростей поступательных движений часто встречает большие трудности, которые в первую очередь связаны с
тем, что перемещающееся тело проходит относительно большой
путь и неудобно создавать измерительный преобразователь, который бы охватывал весь этот путь. Поэтому, как правило, измерительные преобразователи рассчитаны на измерение скоростей
при малых перемещениях. Кроме того, измерение малых скоростей представляет большие трудности и приходится переходить
от измерения малых скоростей либо к измерению^ промежутков
времени, за которые тело проходит определенный путь, либо,
наоборот, к измерению расстояний, которые проходит тело за
определенный промежуток времени. И в том и в другом случае
тело воздействует на индикатор перемещения меткой, нанесенной на нем. В качестве такой метки можно использовать какую-либо неоднородность на поверхности тела и в том числе дефект
поверхности.
.
^
Д л я измерения мгновенных значений скоростей V наиболее
часто используют индукционные преобразователи. В них катушк а 1 (рис. 33), перемещающаяся в магнитном поле магнита 2,
45
4
•с
Ш//<
/
Кг
—л? / -
У / / / / Ш Ш
Рис. 33. Схема индукционного преобразователя скорости
Рис. 34. График, поясняющий возннь
новение доплер-эффекта
жестко связана с телом 3, скорость которого измеряется. При
таком преобразовании ЭДС, индуктируемая в катушке,
где ^ — диаметр витков катушки, м; ау — число витков катушки;
В — магнитная индукция в зазоре постоянного магнита, Тл.
Д л я уменьшения погрешности преобразования магнитная
индукция в зазоре должна быть постоянной на всем пути перемещения витков катушки. Выполнить это требование достаточно
точно можно только при небольших перемещениях. Именно поэтому диапазон перемещений при измерениях скорости ограничен. Индукционными преобразователями удобно измерять скорости при вибрации и колебаниях. Однако диапазон измеряемых
скоростей в этом случае также ограничен, поскольку применение
многослойных катушек для измерения малых скоростей в преобразователях нецелесообразно, т а к как это требует увеличения
зазора в магнитной цепи, что приводит к уменьшению магнитной
индукции.
При больших перемещениях и скоростях удобно использовать методы измерения, основанные на доплер-эффекте. При
этом на теле Л, относительно которого измеряется скорость тела В (рис. 34), устанавливается излучатель колебаний с частотой /и. Колебания, распространяясь в среде, заполняющей пространство между телами А к В, достигают тела В, отражаются
от него и возвращаются к телу А, где принимаются приемником.
Если скорость сближения тел А и В равна Vx, то частота отраженных колебаний
л=/. н 2ух
I
где с — скорость распространения колебаний в среде.
Разность частот излучаемых и принимаемых колебаний позволяет определить скорость сближения тел: Ух—с{1о — ^и)/2/и.
При движении тел в упругих средах, например в воде, для
этого могут использоваться акустические колебания (звукового,
46
ультразвукового или инфразвукового диапазонов), при движении тел в неупругих средах, где распространяются с достаточно
малым затуханием электромагнитные-волны, следует использовать электромагнитные колебания. При этом надо учитывать,
что если скорость распространения акустических волн составляет тысячи метров в секунду, то скорость распространения электромагнитных волн близка к 300 ООО км/с.
Следует подчеркнуть, что такой метод позволяет определить
только скорость сближения тел, т. е. проекцию скорости тела В
на ось, проходящую через тела Л и В, т. е. Vx=Vсо%а.
В момент прохождения тела В мимо тела А угол а достигает
90® и отраженная частота становится равной излучаемой, т. е.
доплер-эффект отсутствует. Этим пользуются для определения
момента времени, когда между телами А и В расстояние достигает минимального значения.
При,больших расстояниях между телами Л и В угол а обычно очень мал, и практически можно считать, что измеряется полная скорость тела В относительно тела А.
В тех случаях, когда это возможно, обычно с помощью передачи рейка — колесо преобразуют поступательное движение
во вращательное и, измеряя угловую скорость, определяют линейную скорость движения; так, например, устроены приборы
для измерения скоростей транспортных средств: автомобилей,
поездов. Однако для определения скорости поездов могут также
использоваться приборы, определяющие скорость, например, по
числу шпал, проходимых поездом в заданный промежуток времени.
Приборы, предназначенные для измерения линейных ускорений, называются акселерометрами. Акселерометры могут быть
трех основных видов: инерциальные, однократного и двукратного дифференцирования.
Инерциальные акселерометры основаны на измерении силы,
развиваемой массой при ее движении с ускорением. Масса /
(рис. 35, а ) , связанная с корпусом прибора 5 при помощи пружин 2 и демпфера 3, может перемещаться в направлении оси 6,
вдоль которой измеряется составляющая ус"корения. Перемещение
^1ассы пропорционально измеряемой состав»
ляющей ускорения и
измеряется с помощью
Рис. 35. Схемы инерциальных акселерометров:
— с массой, подвешенной на
пружинах; б — с массой, погруженной в жидкость
47
дифференциального емкостного преобразователя 4. Так как,, I
са перемещение которой измеряется, связана с к о р п у , ; ' 1
помощи пружины и демпфера, то возможны два режима р а ^
а ™ о м е т р а - а п е р и о д и ч е с к и й и колебательный. Для
рейшего затухания переходного процесса режим Работы дол.,;
быть колебательным, но достаточно близким к критической
при котором колебательный режим переходит в апериодические
Такому режиму соответствует коэффициент относительного за
тухания
'
'
'
где О — коэффициент демпфирования;
к / т — собствен,
ная частота системы; т — рабочая масса колебательной систе '
мы; к — коэффициент упругости пружины.
Собственная частота колебаний системы должна быть значнтельно больше, чем максимальная частота изменения измеряемого ускорения (не менее, чем в 10—20 р а з ) , но меньше, че«
частота возможных вибраций корпуса акселерометра, с которы- ,
ми колебательная система при близости этих частот может придти в резонанс и разрушить акселерометр.
^
Для увеличения коэффициента демпфирования массу 1 (рис. I
35, б) помещают в жидкость 2 с плотностью, равной плотности
материала чувствительного элемента. В качестве пружин не- |
пользуют гофрированные упругие мембраны 3 с отверстиями. I
Демпфером в этом случае служит жидкость, в которую помещена масса. Недостатком таких мембран является то, что при
отклонении массы от состояния статического равновесия акселерометр становится чувствительным к составляющей ускорения,
перпендикулярной направлению, вдоль которого он предназначен измерять ускорение. Чтобы избежать этого, акселерометр
охватывают обратной связью.
В качестве преобразователя, реагирующего на перемещение
массы, могут служить фотоэлёктрические, индуктивные, емкоа- ^
ные или струнные преобразователи. Сигнал, полученный от этих
преобразователей, и является выходным сигналом акселерометра.
При наличии обратной связи этот сигнал усиливается и подается на силовой орган, который возвращает массу акселеро*;
метра в ее нейтральное положение, при котором гофрированные^
мембраны не прогнуты.
Дифференциальный акселерометр представляет собой изме-'
ритель скорости— велосиметр, па выходе к о т о р о г о ' у с т а н о в л е н а
дифференцирующая цепочка или какое-либо другое д и ф ф е р е н цирующее устройство.
1
дифференцирование применяется при определения ^ т ^ Р ' ^
сигналам от устройств, измеряющих переметения. Так как каждое дифференцирование, к а к правило, ослабля48
ет сигнал и вносит в него искажения, измерители ускорений с
двукратным дифференцированием применяют редка
В.акселерометрах угловых ускорений роль массы выполняет
момент инерции маховика, расположенного на оси, по отношению к которой измеряется угловое ускорение.
6. УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ
И ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ
Принцип действия устройств контроля шероховатости
и дефектов поверхностей зависит от цели контроля и свойств
материала, поверхность которого необходимо контролировать.
При контроле шероховатости поверхности достаточно твердых материалов применяют метод ощупывания, при котором по
поверхности контролируемого изделия скользит игла с радиусом
кривизны острия, позволяющим ей при перемещении следить за
профилем поверхности. В электрический сигнал преобразуется
перемещение иглы в направлении, перпендикулярном плоскости
контролируемой поверхности или плоскости, касательной к поверхности, если эта поверхность имеет кривизну.
Обычно для измерения и исследования шероховатости поверхностей используют профилометры, основанные на описанном
выше принципе действия. Раньше применяли профилометры с
преобразователями различных систем. В настоящее время получили распространение в основном индуктивные и пьезоэлектрические преобразователи. При использовании индуктивных преобразователей перемещение иглы вызывает перемещение якоря
дифференциального индуктивного преобразователя, включенного
в измерительный электрический мост. Аналогичный принцип
используется и при контроле шероховатости. В этом случае при
возникновении на выходе измерительного моста напряжения,
превышающего заданную величину, должна срабатывать пороговая схема, подающая сигнал о превышении микронеровностями заданного уровня. При контроле размаха колебаний в электрической схеме предусматриваются два пиковых детектора,
дающих сигналы, пропорциональные максимальным отклонениям
профиля вниз и вверх от средней линии, и затем устройство,
суммирующее эти напряжения. При этом, конечно, не выдерживается точно требование определения размаха колебаний по
пяти максимальным, и минимальным значениям. Однако, регулируя постоянные времени пиковых детекторов, можно при заданном профиле достаточно близко подойти к режиму, при котором число максимумов и минимумов, влияющих на результат
измерения, будет изменяться в небольших пределах ( 4 — 6 ) .
Следует отметить, что использование систем, аналогичных по
устройству профилометрам, для автоматического контроля ше49
Рис. 36. Схема конт.
дефектов
повер>
фотоэлектрическим^
дом:
с - о т р а ж е н н ы и лучо-. ,
рассеянным светоц
'
роховатостн н дефектов поверхности неудобно вследствие слож. 1
ности систем и необходимости контактного ощупывания повер*. I
ностн, поэтому при автоматизации контроля чаще использукп I
другие методы контроля.
Наиболее распространенным является фотоэлектрический
метод, при котором достаточно узкий луч света (рис. 36, с], I
например, от лазера / направляется на контролируемую поверхность 2 под углом, отличным от прямого. При этом свет, отра-!
женный от контролируемой поверхности, падает на фотоприемник 3. Чем меньше микронеровности поверхности, тем слабее
рассеивается световой поток и тем больше световой поток, пада-1
ющий на фотоприемник. Такой метод контроля может приме- (
няться только в тех случаях, когда может быть гарантироваа 1
одинаковый спектральный коэффициент отражения у всей по-!
верхности или у всех поверхностей, подлежащих контролю. Если'
спектральный коэффициент отражения непостоянен, т. е. меняется цвет поверхности, то при монохроматическом источнике
излучения изменяется интенсивность светового потока, падающего на фотоэлемент. При использовании полихроматического
источника изменяется спектральный состав этого потока, что
вследствие непостоянства спектральной чувствительности фот(^
приемника изменяет фототок при постоянном значении световой
энергии, отраженной поверхностью. Таким образом, в этом случае результат контроля зависит не только от шероховатости поверхности, но и от ее цвета.
Цвет поверхности влияет несколько слабее при измерении
не отраженного светового потока, а рассеянного. В этом случае
фотоприемник помещают так, чтобы на него не падал отражеиный луч (рис. 36, б). При этом свет от источника / может падать
перпендикулярно на контролируемую поверхность 2, а на фотоприемник 3 направляется свет, рассеиваемый поверхностью в
разные стороны.
Фотоэлектрические методы вполне оправдывают себя лря
контроле дефектов поверхности. В этом случае контролируема^
поверхность перемещается под световым лучом, и о т р а ж е н н ы й
свет падает на фотоприемник. При однородной поверхности световой поток, падающий на фотоприемник, остается п р а к т и ч е с к и
постоянным, а при прохождении под лучом дефекта поверхностя
коэффициент отражения резко изменяется, изменяется и свето50
вой поток, падающий на фотоприемник, и в цепи последнего возникает импульс тока или напряжения, характеризующий дефект.
При контроле дефектов плоских поверхностей развертка всей
поверхности осуществляется достаточно просто, например последовательным обеганием всей поверхности строчка за строчкой.
Значительно сложнее осуществляется развертка криволинейных
поверхностей. Так, например, при контроле поверхностей щариков им приходится сообщать два вращательных движения вокруг осей, перпендикулярных друг другу, В некоторых случаях
шарику сообщают вращение вокруг только одной оси, а излучатель вместе с фотоприемником совершают колебательное движение по дуге вокруг другой его оси.
При разработке конструкции контролирующего фотоэлектрического автомата наибольшую трудность представляет именно
создание системы развертки.
В некоторых случаях контролируемая поверхность является
плоской, но деталь, к которой она относится, имеет отверстия.
При этом необходимо предусмотреть, чтобы, обнаруживая дефекты поверхности, контролирующая система не реагировала на
отверстия в детали, как на дефекты. Конечно, можно так спроектировать систему развертки, что луч будет обходить отверстия,
однако в этом случае система развертки получится очень сложной. Значительно проще встроить в электронную систему автомата микропроцессор, который определяет форму и размер дефекта' и, если эти характеристики приближаются к характеристикам отверстий в детали, электронная система не пропускает
сигнал о дефекте на выход контролирующего устройства.
Механические системы развертки сложны и не позволяют
получить достаточную скорость развертки поверхности. Поэтому целесообразно использовать телевизионные системы, обеспечивающие развертку изображения управлением электронным
лучом. В технических системах для этой цели наибольшее распространение получили видеконы.
Сочетание телевизионной системы с микропроцессором позволяет контролировать дефекты на достаточно сложных поверхностях, например на дорожках качения колец шариковых подшипников.
Основным недостатком фотоэлектрических и телевизионных
методов контроля шероховатости и дефектов поверхностей является невозможность контроля поверхностей, не доступных
для сканирования световым лучом. К таким поверхностям относятся многие внутренние поверхности деталей и, особенно,
внутренние поверхности деталей, входящих в сборочные единиц ы . Так, например, практически невозможно рассмотренными
методами проконтролировать дорожки качения и поверхности
тел качения у подшипников в сборке или поверхности зубьев
колес в собранных редукторах.
51
? ^
ш
Рис. 37. Электрическая схема включекия подшипника при его диагносткровании по методу среднего тока
Рис. 38. Схема нагружения подшип
ника и его привода от шпинделя (ва
ла) н ролика
Для контроля таких поверхностей может быть предложен
следующий метод. Собранный подшипник устанавливают на
шпиндель / (рис. 37), а к неподвижному кольцу присоединяют
электрическую цепь, состоящую из резистора, микроамперметра,
источника напряжения и скользящего контакта 2, контактирующего со шпинделем. При нормальной работе подшипника, бла- ,
годаря гидродинамическому эффекту, между шариками и кольцами образуется смазочная пленка, разрывающая электрическую цепь, поэтому ток в цепи не проходит. При наличии дефекта '
на рабочей поверхности подшипника смазочная пленка разрушается и в цепи проходит импульс тока. Следует пояснить,
что при наличии дефекта происходит разрушение смазочных
пленок, расположенных по обе стороны шарика, и таким образом замыкается электрическая цепь на участке внешнее кольц о — ш а р и к — внутреннее кольцо подшипника. Разрушение
смазочной пленки происходит только при достаточно большой
микронеровности или дефекте. Чем больше микронеровность
или дефект, тем на больший промежуток времени разрушается
смазочная пленка. Поэтому нашел распространение метод контроля подшипников по среднему току, проходящему в указанной
цепи. Напряжение, действующее в этой цепи, должно быть до-"
статочно мало, чтобы не вызывать пробоя смазочной пленки.'
Обычно это напряжение равно 10 мВ.
^
Более надежные результаты контроля получаются при
измерении не среднего тока, а суммарной длительности импуль-'
сов тока, вызванных разрушением смазочной пленки. Обычно
определяют суммарную длительность импульсов, приходящуюся на единицу времени измерения. Эту величину называют нормированным интегральным временем разрушения смазочной
пленки или, сокращенно, НИВ.
При нагружении подшипника, как показано на рис. 38, в
зоне нагружения, определяемой углом 2а, оказываются один,
два или три шарика. Поэтому при большой угловой скорости со1'
подшипника, установленного на валу /, медленно проворачивая
52
внешнее кольцо подшипника, можно проверить при всех ли его
п о л о ж е н и я х значения НИВ одинаков^. Е?ли при каком л
п о л о ж е н и и внешнего кольца НИВ резка возрастает, то это пока- ,
зывает, что в зоне нагружения внешнего кольца есть дефект.
.Можно остановить шпиндель / ((о=0) „ привести во вращ е н и е внешнее кольцо от ролика 2. При этом значение НИВ
^удет зависеть от положения внутреннего кольца. Проворачивая его, можно установить положение, в котором НИВ максималъио, и если в этом положении НИВ резко возрастает, то,
следовательно, в зону нагружения вошло место дорожки внутреннего кольца с дефектом.
Наконец, можно одновременно сообщить вращение в против о п о л о ж н ы е стороны внешнему и внутреннему кольцам с такими частотами, что остановится сепаратор подшипника с шариками, хотя последние будут продолжать вращаться. При этом в
з о н е максимального нагружения окажется только один шарик.
Если, шарики расположены относительно вертикали симметр и ч н о , то два шарика окажутся одинаково нагружены и для
введения в зону максимального нагружения одного шарика необходимо несколько увеличить частоту вращения одного из колец, тогда сепаратор с шариками придет во вращение. Но как
только один из шариков попадет в зону максимального'нагружения, частоту враш,ения колец подшипника нужно восстановить прежней, чтобы сепаратор остановился. Если при нагружении одного шарика НИВ достаточно мало, значит поверхность'
шарика на его беговой дорожке, устанавливающейся автоматически при работе подшипника, не имеет дефектов. Если же НИВ
окажется большим, то, следовательно, поверхность шарика
имеет дефект. Таким образом, можно проконтролировать все
шарики.
, ,
При автоматическом контроле после установки подшипника
на шпиндель и его нагружения угловые скорости шпинделя и
ролика изменяются по заранее составленной программе таким
образом, что сначала контролируется поверхность беговой дорожки одного кольца, потом поверхность беговой дорожки
второго кольца и после этого поочередно поверхности всех шарикрв. Если в каком-либо положении НИВ возрастает, значит
одна из поверхностей подшипника имеет дефект, причем по
моменту возникновения импульса НИВ можно определить, поверхность какого тела имеет дефект.
• В подшипниках высокого качества НИВ практически равен
нулю. В этом случае дефекты поверхности могут быть установлены по импульсам тока, вызываемым утоньшеинем смазочной
пленки, хотя разрушения смазочной пленки может еще не оыть.
. Аналогично можно контролировать подшипники «ольжепия,
«Аиако при нормальной работе у них НИВ значительно выше,
чем у подшипликов вращения.
При контроле зубчатых зацеплений погрешности, допущ.
ные при изготовлении, часто могут быть обнаружены по С а '
номерности вращения выходного вала редуктора при равномеп
ном вращении входного вала. Таким ж е способом могут бып
обнаружены отклонение от соосности валов редуктора и соот
ветствующих им колес, а также овальность колес. При этом
анализ неравномерности угловой скорости на выходном валу
позволяет установить причину этой неравномерности и элемент
передачи, вызвавший ту или иную ее составляющую.
Д л я измерения шероховатости "используют также интерферо.
метрический метод. Этот метод полностью автоматизировать
трудно, однако с помощью фотоэлектрической электронной схег!Ы можно а1)т0?.»ат:!зпр0пать подсчет интерференционных полос.
7. УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУР
Выбор принципа действия устройства контроля температур зависит от диапазона измеряемых температур, требуемых точности контроля температур, быстродействия измерительного устройства и допустимой величины потребления последним
тепловой энергии, т. е. входного теплового сопротивления изме:
рительного устройства или его входной теплоемкости.
При узком диапазоне измеряемых температур, лежащем в
пределах от 230—260 до 330—360 К, и относительно большой
допустимой погрешности контроля температуры (1—2 К) удобно пользоваться устройствами, принцип действия которых основан на тепловом расширении жидкостей, газов и твердых тел.
Дилатометрический преобразователь (рис. 39, а) обычно
состоит из двух параллельно расположенных стержней, которые
могут иметь различное конструктивное выполнение, например,
один из стержней может быть выполнен в виде цилиндра I
внутри которого расположен другой стержень 2\ материалы
стержней берутся разными с возможно более сильно отличают
щимися друг от друга коэффициентами теплового линейного
расширения а . Если при некоторой температуре длина стержней
одинакова и равна
то при изменении температуры на АГ длина стержня 1 станет
а длина стержня 2 — и ^
= /.(1+а2А7')- Свободный конец рычага 3 переместится на вели-
/с
V
Рис. 39. Схемы
температуры:
6)
54
а — дилатометрического;
преобразователе!
б — биметалл'
ческого; в — и а ш м е т р н ч е с к о г о
В результате этого перемеш е н и я . может быть получен сигнал о достижении температурой
определенного значения, например, в данной схеме сигнал возникает за счет замыкания электрического контакта 4.
Основным преимуществом таких преобразователей является
л р о с т о т а , однако их чувствительность мала:
8 = ^ = 1 а1-|чину
—ог)-—
и не может быть значительно
увеличена за
счет увеличения отношения /,//2. Кроме того, для получения
большой разности коэффициентов ах и аг один из стержней следует делать из инвара, у которого а = Ы О - в К"', а другой, налример, из дюралюмина с а = 2 3 - 1 0 - в К"'. В этом случае при
оптимальном отношении /1^2= 10 и длине стержней 100 мм чувствительность преобразователя составит 24 мкм/К. При замене
инвара
на
вольфрам
чувствительность уменьшается до
21 мкм/К.
Точность контроля такими устройствами сильно снижается
за счет перемещения контакта относительно основания преобразователя при изменении температуры, причем это перемещение, как правило, значительно уменьшает чувствительность.
При указанных выше условиях возможно использование
биметаллических преобразователей. Такой преобразователь
представляет собой биметаллическую пластину (рис. 39, б), выполненную из металлов с различными коэффициентами теплового линейного расширения. Если при некоторой температуре
пластина имеет прямолинейные образующие, то при изменении
температуры она изгибается и ее свободный конец смещается
на величину / г = 3 ( а | — и , следовательно, чувствительность преобразователя
где I и (/ — длина и общая толщина пластины. При длине пластины, равной
100 мм, т. е. такой же, как и длина стержней в предыдущем
случае, и использовании медно-дюралюминиевой пластины чувствительность 5 = 14* 10* мкм/К при (1=1 мм. Полученное значение чувствительности показывает, что биметаллический преобразователь значительно чувствительнее, чем дилатометрические. Кроме того, в этом случае перемещение контакта в вертикальном направлении практически не вносит погрешности в результаты контроля.
Металлургическая промышленность выпускает биметаллические пластины определенного сортамента по толщине и ширине
из различных сочетаний материалов слоев. Выпускается 14 разновидностей термобиметалла с различным сочетанием эксплуатационных свойств. ГОСТ 10533-63 определяет основные экс;
плуатационные свойства биметаллических пластин: температурную чувствительность, удельное электрическое сопротивление,
55
рекомендуемую и предельную температуры, модуль упр.. .
материал^ Чеплопроводность. температурный
коэфф>^
электрического сопротивления и др.
Чувствительность по ГОСТу ^^Р^'^теризуется уд
1
изгибом, рассчитываемым по формуле Л = 10^ Ш/{1Ш), Д .
значение различных типов стандартных биметаллов содеп*:'
буквы ТБ и четыре цифры, из которых две первые соответств,^
ют значению А, следующая цифра оценивает удельное элекж
ческое сопротивление по 5-балльной системе, причем биметалц,
•'С большим удельным электрическим сопротивлением оценила.'
ются более низким баллом, чем металлы с малым удельнйщ
сопротивлением. Последняя цифра аналогично оценивает допускаемую рабочую температуру, т. е. чем она выше, тем оценк}
ниже. Например, биметалл ТБ-1254 имеет Л — 1 2 К"', р=0,09^.
0,14 Ом.м и Гпр=410 К; ТБ-0921 имеет Л = 9
р=0,8Н^
0,97 0 м . м и Г п р = 6 9 0 К.
'
Для замыкания электрических контактов биметаллически
пластина должна преодолеть силу Р сопротивления упругой
пластины, на которой установлен подвижный контакт, и обеспе-.
чить требуемую силу прижатия контактов друг к другу. Этз!
вызывает уменьшение прогиба пластины, которое станет равным
,
Из формулы вытекает целесообразность использования пластины с большими значениями жесткости Е, ширины Ь и толщины й,
,
Действие манометрического преобразователя основано на
зависимости давления насыщенных паров некоторых жидко-,,
стей, кипящих при низких температурах, от изменения температуры. Б качестве жидкостей обычно используют метилхлори!
этилхлорид и ацетон. При использовании этих жидкостек
возможен контроль температуры в диапазоне 270—600 К.
В рассматриваемых преобразователях (рис. 39, в) баллон I.
частично наполняется жидкостью, над которой располагаются
насыщенные пары этой ж е жидкости. Связь между давлением 21
приращением температуры определяется выражением
= а Л Г / р , где сс и р — коэффициенты теплового объемного ра"^;
ширения и сжатия жидкости. Изменение давления паров
кости в баллоне передается через капилляр" 2 в манометрическую коробку 3 или на мембрану, деформация которых воздеи:
ствует на контакты 4. Такие преобразователи имеют достаточно
большую чувствительность, однако они р е а г и р у ю т на утечкУ
паров через стенки баллона, капилляра и манометрической или
мембранной коробки. Возможно полное заполнение баллона«
капиллярной трубки с манометрической коробкой какой-лио»
жидкостью. В этом случае работа преобразователя будет
сс
ком
объемном расширении жидкости.
Диапазон рабочих температур этих преобразователей такой же,
как и у предыдущих но чувствительность, значительно меньше.
Правда, в них не наблюдаются заметные утечки жидкости через
стенки, что значительно удлиняет средний срок службы таких
лреобразователеи.
Возможно т а к ж е заполнение всего замкнутого объема какимлибо газом, например азотом, гелием или неоном. В этих преобразователях чувствительность больше, чем у предыдущих, но
меньше, чем у преобразователей на насыщенных парах. Их основным преимуществом является широкий диапазон контролируемых температур, особенно в области низких температур, где
он ограничивается температурами кипения газов (для азота
126 К, а д л я гелия 6 К ) .
Недостатком всех рассмотренных видов преобразователей
является то, что для получения электрического сигнала, который обычно бывает необходим для работы автоматических
контролирующих устройств, требуется преобразование линейных
перемещений в электрический параметр. Для этой цели обычно
используют электроконтактные преобразователи. Введение в
систему электроконтактных преобразователей, реагирующих на
перемещение какого-либо элемента преобразователя температуры, приводит к появлению дополнительной погрешности. Поэтому в автоматических контролирующих устройствах более
целесообразно применять преобразователи температуры непосредственно в электрическую величину, например электрическое
сопротивление или ЭДС.
В терморезисторных преобразователях используется свойство проводников или полупроводников изменять свое сопротивление при изменении их температуры.
[ В термометрах сопротивления обычно используют в качестве
проводников медь, платину, никель и другие металлы. Чувстви•^ельность термометров сопротивления достаточно высока, а их
стабильность позволяет снизить погрешности измерения температур до 0,1 К.
Преимуществом медных термометров сопротивления является л и н е й н а я зависимость их сопротивления от температуры:
^==(1+0,004 Д Г ) г д е
—сопротивление термометра при
293 К. Чувствительность такого преобразователя 0,004 Но О м Х
Х К " ' ; а относительная чувствительность 0,004 К " ' . Основным
недостатком медных термометров сопротивления является узкии
температурный диапазон, в котором они применяются: 220...
400 К.
С целью расширения этого диапазона применяют платино?ые т е р м о м е т р ы сопротивления. Их использование возможно до
1400 К. О д н а к о зависимость их сопротивления от температуры
«^зеет нелинейный характер, что в некоторых случаях является
57
существенным недостатком. Недостатками термометров соп
тивления являются также их относительно большие инеп
ониость и теплоемкость, не позволяющие применять их
контроля быстроизменяющихся температур тел с малой теплЦ!
емкостью.
Наша промышленность выпускает унифицированные терцл.
метры сопротивления. Например, термометр ТУЭ-48 содержиникелевый провод и может применяться в диапазоне темпеп?
тур 200 ...450 К.
"
Значительно большую чувствительность имеют термисторц
т. е. полупроводниковые сопротивления. Отличительной особен'
ностью термисторов является уменьшение их сопротивления пра
нагреве. Полупроводниковые резисторы, сопротивление котор1д
увеличивается при нагреве, называются познсторами. Термисто,
ры и позисторы миниатюрны (их размер в ряде случаев менее
1 мм) и, следовательно, обладают малой теплоемкостью. Поэтому их целесообразно применять в тех случаях, когда требует,
ся высокая чувствительность, и объект, температура которого
контролируется, имеет очень малую теплоемкость. С помощью
термисторов возможно зарегистрировать изменение температуры на 10^'*... 10-^ К. Однако при измерении температуры возникают большие погрешности вследствие явления последействия:
зависимость сопротивления термистора от температуры при
нагреве не совпадает с аналогичной зависимостью при охлаждении термистора, причем вторая зависимость располагается
выше первой. Это явление последействия ограничивает точноаь
измерения температур и делает ее соизмеримой с точностью
измерения температур термометрами сопротивления. Термистары, как правило, не выдерживают нагрева выше 340... 370 К. ;
Малая теплоемкость термисторов позволяет их использовать д л я дистанционного определения температур по излучению
и измерения быстроизменяющихся температур (длительность
переходного процесса практически заканчивается за десятые
доли секунды). Существенным недостатком термисторов является низкая верхняя граница измеряемых температур при непосредственном соприкосновении прибора с телом, температура
которого измеряется.
Значительно более высокие температуры позволяют изме,рять термоэлектрические преобразователи — термопары. Верхняя граница их диапазона достигает 1800... 2300 К. Погрешность
измерения температуры при поддержании требуемой температуры свободных концов термопары может быть снижена до десятых долей градуса. Однако при измерении высоких температур
термопара должна быть заключена в защитный корпус, причем
при очень высокой температуре внутри ее корпуса д о л ж н о находиться инертное наполнение, например инертный газ, преДО"
храняющее термопару от окисления.
'
58
Наличие корпуса у термопары резко увеличивает ее инерционность, в результате чего постоянная времени термопары
может достигать десятков минут.
Материал проводов термопар выбирают в соответствии с
диапазоном измеряемых температур. В спрарочниках обычно
рекомендуются такие материалы, которые в пределах диапазона измерений обеспечивают достаточно большую чувствительность и практическую линейность зависимости ЭДС от температуры рабочего спая термопары.
Следует иметь в виду, что термопары имеют очень низкий
коэффициент полезного действия. У металлических термопар он
составляет обычно доли процента. Поэтому если вторичный
прибор, например микроамперметр, подключенный к термопаре,
потребляет мощность 10—100 мВт, то сама термопара от тела,
у которого измеряется температура, потребляет 10—100 Вт.
При наличии защитного корпуса с относительно толстыми стенками, выполненного из металла, за счет их теплопроводности
коэффициент полезного действия дополнительно уменьшается в
десятки и сотни раз. Такая термопара с кожухом может потреблять энергию, достигающую сотен ватт. Именно поэтому термопары практически не применяют для измерения температур при
маломощных тепловых источниках, малой теплоемкости тел, или
при их малой теплопроводности. Наиболее удобно применять
термоэлектрические преобразователи при измерении температур
тел с мощными источниками тепловой энергии, например температуры в печах. Однако за счет теплопроводности стенок защитного корпуса температура внутри корпуса может значительно отличаться от температуры среды, в которую помещен корпус, что может вызвать погрешность измерений, составляющую
единицы градусов, а в некоторых случаях даже десятки градусов.
' Очень высокие температуры удобно измерять термометрами
излучения. Спектральная интенсивность излучения абсолютно
черного тела в соответствии с законом Планка определяется
формулой
где С1=0,37.10-«5 ВТ-М, С2=1,438-10-2
х - д л и н а волны
излучения, м; Г —температура тела, К.
' Излучательная способность поверхности тела также зависит
от ее температуры. Она определяет количество энергии, излучаемой с единицы площади поверхности тела, и может быть найдена для абсолютно черного тела в соответствии с законом <-тефана — Б о л ь ц м а н а :
Я = С о (7-/100)'.
гдеСо=5,67Вт/(м2.К^).
59
Яркостные пирометры основаны на измерении спектралк,
интенсивности излучения, причем их конструкция рассчитыв!^
ся таким образом, чтобы они реагировали на излучение с оп?
деленной длиной волны, например в области красного излучеГ
при Л = 0 . 6 5 мкм. Выбор этой длины волны объясняется хоГг!
шим согласованием спектральной плотности излучения на ш
со спектральной характеристикой приемников излучения, ,
Яркостной пирометр измеряет не действительную температу
ру реальных тел, а яркостную, т. е. такую температуру, ко/^
рую бы имело абсолютно черное тело при той же спектрально}
интенсивности излучения. В результате этого возникает погреш.
ность измерения температуры, которая может быть рассчитана
по формуле
где 7", —яркостная температура поверхности тела; Д7=Гд--Т,,
Тд — действительная
температура
поверхности тела; о=:
=
, е* — коэффициент черноты поверхности тела (значение Сз было указано выше).
Эта погрешность может достигать десятков процентов, а
поправку на основе вычисления погрешности невозможно внеш
достаточно точно вследствие незнания точного значения коэф
фициента черноты, который сильно зависит от состояния повер*
ности тела и, следовательно, ее действительной температуры,
Кроме того, существенная погрешность может вноситься вслед
ствие поглощения средой части излучения на пути от излучающей поверхности до приемника излучения. Эти недостатки очень
ограничивают применение яркостных пирометров.
Радиационными пирометрами измеряют температуру по
плотности интегрального излучения, причем определяют не дей
ствительную температуру, а яркостную, точнее радиационную
Тр. Погрешность измерения температуры в этом случае определяется по другой формуле:
Входящий в эту формулу коэффициент черноты также отличается от того, который был использован при определении
погрешности для яркостных пирометров. Используемый в этом
случае коэффициент черноты называется интегральным или
суммарным.
Цветовые пирометры основаны на измерении так называемой цветовой температуры Гц, определяемой по отношению
интенсивностей спектрального излучения абсолютно черного
тела на двух каких-либо выбранных длинах волн. Обычно при
измерении цветовой температуры сравнивают излучения на Длинах волн 0.65 и 0,45 (синяя часть спектра) или 0,55 мкм (зе^®'
ная часть спектра).
60
Если 6Ь1 спектральный коэффициент черноты поверхности
реального тела не зависел от длины волны излучения, то этот
способ позволял бы определить действительную температуру
поверхности тела без погрешности, обусловленной тем, что она
неидеально черная. В действительности же полностью избавиться от этого вида погрешности не удается. Для рассматриваемых,
пирометров она может быть рассчитана по формуле
где /
' .
х,х
С2(Х1-Х2)
где Я1 и Яа — длины используемых волн.
Следует отметить, что многие поверхности тел при нагреве
покрываются различными пленками, которые сильно изменяют
.их коэффициенты черноты и, кроме того, обладая плохой теплопроводностью, эти пленки резко снижают температуру поверхности тела. В ряде случаев задача измерения температуры,
несмотря на кажущуюся простоту, представляет значительнук>
.трудность. Так, при измерении температуры газов под сводом
печи термометры излуче^^ия измеряют температуру свода печи
-с погрешностью, обусловленной поглощением излучения газами,
а при использовании термопар—температуру внутри , кожуха
.термопары, которая в отдельных случаях отличается от температуры газов на сто градусов и более.
В качестве приемников излучения при радиационных метогдах наибольшее распространение получили различные виды
фотоэлементов. Тип фотоэлемента выбирается исходя из его
спектральной чувствительности: необходимо, чтобы фотоэлемент
имел достаточную чувст1
вительность • именно на
'Д
^то
той длине волны, на котою11 У
рой проводятся измерения. Сопоставление графиков спектральной инт ^
г
тенсивности излучения Д
ю'
для нескольких темпераТур (рис. 40) и спектраль10*
Гл/
ной характеристики чувствительности
фотоэле10^ —
мента
(штриховая ли1^500 /
ния) показывает, что с пога'
' .250.к
/
>
^г /
/
•I
.
рис. 40. Характеристики, поясняющие . согласование
спек'гральных характеристик излучения
и фотоприемника -уя
/
1
ю'
л
е
61
Рис. 41. Схема устройства п»
троля температуры с пироэле^ским преобразователем
МОЩЬЮ фотоэлементов возмп
но измерение только доста?'
но высоких температур п
низких температурах интенЛ
ность излучения резко пада!
в области высокой спектрал^
ной чуствительности фотоэ'ле.
ментов. Поэтому в зависимости от типа фотоэлементов нижнял
граница диапазона измеряемых температур лежит в поедм?т
.500 ...1000 К.
При измерении низких температур термометрами излучении
'Следует применять пироэлектрические преобразователи, которые
обладают высокой чувствительностью в длинноволновой обла.стп излучения. Однако их особенностью является то, что они
реагируют не на излучение, а на его изменение. Поэтому при и
использовании необходимо применять развертку или сканирование, при котором на приемник излучения Ф поочередно направляется излучение от образцовой поверхности ОП (рис. 41) йот
поверхности ИП, температура которой измеряется. Сканирование может быть обеспечено, например, колеблющимся зеркалом 3.
Основным преимуществом фото- и пироприемников излучения является их малая инерционность (постоянные времени
менее 10-^...
с). Это позволило на их основе построить тепловизоры, дающие возможность на экране увидеть цветное изображение исследуемой поверхности, цвет каждого участка которого характеризует температуру этого участка. Изображение на
экране тепловизора поверхности платы какой-либо электронной
схемы позволяет, например, сразу выделить элементы, нагретые
до температур выше допустимых. Сочетание тепловизора с мик^
ропроцессором дает возможность
автоматизировать такой
контроль.
Основной недостаток термометров и з л у ч е н и я ~ невозмож<
иость измерения температуры даже на небольшой глубине поД
поверхностным слоем или пленкой на теле; преимуществом яв1
ляется возможность дистанционного измерения температурыОни позволяют измерять температуры космических объектов и
широко применяются в астрономии. Кроме того, так как эти
термометры обладают малой инерционностью, с их помощьк^
можно контролировать изменение температуры при быстропротекающих процессах, например взрывах.
Все рассмотренные методы не позволяют проводить измерения температур, близких к абсолютному нулю, а также темпе62
ратур внутри твердых тел, не нарушая их целостности Такими
возможностями располагает термошумовой метод ^мерения
температуры, основзшон на том, что во всяком теле вследствие
флуктуации электрических элементарных зарядов возникает
разность потенциалов, определяемая выражением
где / 5 = 1 . 3 8 . 1 0 - " , Дж/К—постоянная Больцмана; Г—температура тела; — сопротивление тела между точками измерения
напряжения на нем; Л/ —полоса частот, в пределах которой
измеряется шумовая ЭДС.
При измерении температуры термошумовым методом используют один из двух методов. При первом методе в среду, температура которой измеряется, погружается электрошумовой термометр, представляющий собой электрический, обычно проволочный, резистор. На этом резисторе измеряют шумовое напряжение или шумовой ток, создаваемый им во внешней цепи: =
72=4АГД///?.
По измеренному току или напряжению можно определить
температуру только при знании сопротивления /?, а оно зависит
от температуры. Поэтому более целесообразно измерять мощность, отдаваемую сопротивлением во внешнюю цепь, которая
не зависит от сопротивления Я:
Поскольку шумовые напряжения, токи и мощности очень
малы, их измерение представляет значительные трудности. Поэтому для определения температуры иногда пользуются зависимостью числа импульсов в хаотическом шумовом напряжении,
превышающих определенный порог, от температуры. В этом
случае измеряют не напряжение, ток или мощность, а число
импульсов шумового напряжения, превышающих определенный
порог, и по их числу определяют температуру. Так как порог,
за пределами которого проводится подсчет импульсов, может
быть установлен большим, чем среднее квадратическое напряжение, то усиление импульсов перед подачей их на счетчик
представляет меньшие трудности, чем усиление среднего квадратического напряжения.
• При втором методе измерения температуры тело помещают
между обкладками конденсатора, на котором измеряют шумовое напряжение. В этом случае измеряют усредненную температуру по всему объему тела, помещенного между обкладками
конденсатора.
. Кроме рассмотренных разработано много других методов
контроля температуры. Например, струнный
измеряется ч а с т о т а собственных колебании струны, натянутой
63
между зажимами, установленными на строго определевном,
стоянии друг от друга. При нагреве струна удлиняется, ее1
нические свойства меняются и, следовательно, изменяется
собственная частота, по которой определяется температур! ^
Выбор того или другого метода контроля температуры
деляется не только диапазоном измеряемых температур, х р ^
мой точностью измерения и необходимым быстродействий
устройства контроля, но также многими другими конструктн?
ными и технологическими требованиями: возможностью прия{
нения контактных методов измерения, допустимым уровнем воздействия средств измерения на объект, температура которого!
измеряется, задачей измерения температуры в некоторой точке
объекта или температуры, усредненной по некоторому объеж
этого объекта, и т. д.
Конкретные условия задачи заставляют иногда приспосавливать известные методы измерения к условиям измерений. Например, в тех случаях, когда требуется измерить температ^-р/
в точке контактирования двух деталей, изготовленных из различных металлов, и в эту точку нельзя поместить обычнуя
термопару, прибегают к использованию так называемой «естественной термопары», т. е. определяют температуру по разноси
потенциалов, возникающей на указанных выше деталях в результате возникновения в точке их соприкосновения термоЭДС.
При этом необходимо иметь возможность изолировать детали
от проводящих тел, которые могут замкнуть электрическую цепь
помимо измерительной цепи.
Не следует при выборе метода измерения температуры упускать из виду и возможность введения в ряде случаев с помощью
микропроцессоров поправок в результаты измерения, значительно уменьшающих погрешности контроля.
8. УСТРОЙСТВА К О Н Т Р О Л Я
ДАВЛЕНИЙ
в устройствах контроля давлений обычно производятся последовательно два преобразования: сначала давление
преобразуется в перемещение или деформацию, а затем последние преобразуются в какой-либо вид электрического сигнала.
В качестве преобразователей давления в перемещение используют мембраны, сильфоны и трубчатые манометрические пружины. И з них для целей последующего преобразования
перемещения в электрический сигнал наиболее удобны ме^'"
браны.
Прогиб в центре плоской мембраны, имеющей форму круглого диска радиусом /? и толщиной Н, зажатого по краю, може^
быть рассчитан по формуле
где р — измеряемое давление; 0==Я/17[12(1—|.12)] —цилиндра64
ческая жесткость мембраны; Я —модуль упругости; и — коэффициент Пуассона.
Приведенная формула показывает, что деформация пропорциональна давлению. Однако такая линейная зависимость справедлива только'При малых давлениях и прогибах.. Обычно допускается нелинейность зависимости ш=1{р) не более 1—3%,
поэтому не следует, допускать прогибов более' (0,1—0,2)/?.
Наряду с мембранами с постоянной толщиной на практике
получили распространение мембраны с жестким центром.
Кроме того, получили распространение гофрированные мембраны.
Прогиб мембраны может измеряться любыми преобразователями, преобразующими перемещение в сигнал требуемой величины: электрическое напряжение, расход воздуха и т. п. Наиболее удобно использовать для измерения перемещения центра
мембраны индуктивные преобразователи.
.
.
Однако более целесообразно измерять не перемещение мембраны, а ее деформацию. Для этого на мембрану наклеивают
тензорезистивные преобразователи. В настоящее время выпускают преобразователи давления, в которых на мембрану напы. ляют тензорезисторы из полупроводников.
На мембрану одновременно напыляют четыре тензорезисто,ра, которые включают в мостовую схему, располагая их так,
как показано на рис. 42, а. При этом расположении два тензоI резистора воспринимают радиальную деформацию мембраны
-и изменяют свое сопротивление, а два других теизорезистора
практически не воспринимают этот вид деформации, так как их
чувствительность в поперечном направлении очень мала. Рас-
.
Рис. ' 42."
давления:
Схемы
5)
преобразователей
V
Рис. 43. Схема ионизационного мано
метра
метоа
- а — с тензопреобразователями,
напылениями на мембрану; б — индуктивного пре^образователя с магнитострикционным сер' Асчннком
3-185
65
смотренные пары тензорезисторов включают в мостовую
и они образуют четырехплечий мост. Тензорезисторы
тельные к радиальной деформации, включают в противоп
ные плечи моста, два других тензорезистора служат для
компенсации.
Непосредственно усилия и давления могут быть преобпа
ствие магнитострикционного эффекта изменяется его магнитна,
проницаемость и индуктивность катушки. Недостатком это^,
преобразователя является его низкая чувствительность.
Возможно также использование пьезоэлектрического эфф?!.
та. Однако применение такого преобразователя ограничено!
только переменными давлениями, так к а к его чувствительносп
пропорциональна частоте колебаний измеряемых усилий или
давлений.
При измерении с помощью пьезопреобразователей стати '
ческих сил и давлений следует использовать электрострикционный эффект, т. е. зависимость диэлектрической проницаемош!
пьезоэлектрического материала от его деформации. Недостат-.
ком таких преобразователей является сильная зависимость двэлектрической проницаемости и чувствительности от температуры.
Д л я измерения очень низких давлений (вакуума) в диапазо- ;
не 10-е—10-' П а (Ю"'»—Ю-з мм рт. ст.) могут использоваться',
ионизационные методы измерения. В баллон, где проводятся |
измерения, помещен катод 1 (рис. 43), окруженный анодом,'
имеющим конструкцию сетки 2 и цилиндрическим ионным кол-1
лектором 3. Электрическое поле, создаваемое между катодом г |
анодом, разгоняет электроны, испускаемые к а т о д о ^ д о большой ]
скорости, определяемой выражением 'У—бООК^/а, км/с, где
Оя — разность потенциалов между анодом и катодом. Электроны, сталкиваясь с атомами газа, ионизируют их как в области
между катодом и анодом, т а к и в области между анодом и иок^
ным коллектором, куда они пролетают по инерции, проход»
сквозь сетку анода. Положительные ионы, о б р а з о в а в ш и е с я в
промежутке между анодом и ионным коллектором, падают н
коллектор, который заряжен по сравнению с анодом отряЧ'
тельно. Ток коллектора пропорционален давлению в баллоне.
Нижний предел измерения таких ионизационных
,
ров ограничен фоновым током от рентгеновского и з л у ч е н и я ан
да и фотоэмиссии коллектора.
р.
Возможно также применение тепловых манометров, в
рых измерение давления газа основано на зависимости тепл
отдачи нагретого элемента, помещенного в газовую среДУ. ^
этого давления. Нагреваемый током резистор помещают в газ
66
вую среду и по установившейся температуре резистора при известной температуре газа судят о давлении последнего. Изменение состава газа может вызвать при этом методе большую
погрешность. ,
9. УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ РАДИАЦИИ
в измерительных устройствах используют различные
в и д ы ионизирующих излучений: а-, р-, у-излучения, нейтронное
и рентгеновское излучения. Этот вид радиации создается специальными источниками излучения, помещенными в измерительные устройства. Кроме того, радиация может быть вызвана
внешними по отношению к измерительным устройствам источниками. Такую радиацию мы будем условно называть естественной. Рассмотрим методы контроля уровня как искусственной,
так и естественной радиации, а- и р-частицы и у-кванты имеют
определенную энергию, которую измеряют в мегаэлектронвольтах, а количество энергии, проходящей с частицами или квантами через единицу поверхности, расположенной перпендикулярно падающему потоку частиц, в единицу времени, называют
интенсивностью излучения / и измеряют в Вт/м^. Кроме того,
интенсивность потока частиц может измеряться в единицах
кюри (Ки), соответствующих потоку в 3,7'10'° частиц.
Рентгеновское и у-излучение часто характеризуется не энергетическими единицами, а ионизационной способностью излучения, оцениваемой значением ионизационной дозы, единицей
которой установлен Кл/кг. Кроме того, специальной единицей
является рентген: 1 Р=2,58'10~^ Кл/кг. Рентгеном называется
доза излучения, которая образует в 1 см^ воздуха при 0°С и
нормальном давлении ионы, несущие одну электростатическую
единицу количества электричества ('/з-10~' Кл) каждого знака,
т. е. образует 2,08-10' пар,ионов. В воздухе на образование
пары ионов требуется энергия 34 эВ, следовате'льно, при дозе
излучения 1 Р в 1 см^ воздуха поглощается энергия 70,72-10' эВ,
или 113,2- Ю-'о Д ж . Основные свойства а-, р- и у-излучений приведены в табл. 2.
а-частицы, обладая очень малой проникающей способностью, могут проходить сколько-нибудь значительное расстояние
только в газах. Они находят применение для измерения величин, изменяющих ионный ток ионизационной камеры при постоянной интенсивности излучения. При этом источник а-частиц
помещают в ионизационную камеру и. зная, что каждая а-частиЦа, обладая большой энергией, ионизирует около 200000 молекул, определяют частоту актов ионизации:
где Л —активность источника а-частиц, Ки; С=3.7-10'® — чнс3.
67
Ха1
СвпЛсГЗЯ
^ 1Г ^•ПГ/ЧУЯИЙГ
7и1'
1
5»1РЗ«- Соллтппатдд! 1Д1Ь
П1Г..
жоа акляЛнаети,
ячпя».
ЖЛ»*..!»' 1
/Л-®
.г
[№21в2:1;Д2 1
\кк ХЖУВЪ[нсх
1
1
1
ад—X,Н^гссдьсо
ппЕЛЕигтрэв
ыюсопз
0
ОЛ-1 Неясольпо
КЬЬПЕМетрОБ
СЕГЕса
1
^•чбстгка
Элкггу>
ЕГЛ
Нд(
у-г.ьйкти
К-эрэткоб-асиоьое
«леетрокепигтНСЛ «3лутение
0
№
частиц, испускаемых в секунду при активности ИСТОЧЕНЫ
1 Ки; ДЯ —знергия образования ионной пары.
При достижении всеми ионами электродов в цепи электродов проходит ток
.ПО
где <7— заряд электронов 1 , 6 - 1 0 - " Кл.
При малом размере камеры вследствие того, что путь ачзстицы в камере меньше длины свободного пробега, число иоввзированных молекул уменьшится. Кроме того, вследствие рекомбинации не все ионы достигнут электродов, поэтому ток в
цепи электродов будет меньше расчетного. При повышении дава н и я газа длина свободного пробега уменьшается и ток возрастает, причем в пределах давлений от 0,1 до 100 Па эта зависаое^мй^^?,,®"^ давления практически линейная. С п о с о б н о с т ь к
ет р л я ж ^
^^^исит от состава газа, наприме
г^пп
"
использоваться для анализ
'
с н и ж а е т ' т о к камер.
юшей способн^пт!'^'' обладают значительно большей пронвкаде^ии чепез Г Р Ш ^ '
«"«злучение. Кроме того, при прохождении через вещество р-частицы и у-кванты не только
68
^ ^
^РУЛно установить для них
свободную длину пробега. Затухание узкого параллельного
монохроматического пучка зависит от толщины слоя вещества,
через которые этот пучок проходит:
где-/о и / — интенсивности потока излучения до и после про.
хождения через слой вещества толщиной й\ Цл —линейный коэффициент поглощения, зависящий от свойств вещества (он
определяется экспериментально и приводится в справочниках),
массовый коэффициент поглощения, практически не зависящий от природы вещества-поглотителя; р —плотность вещества.
Коэффициент ^Ам может быть определен для р-излучения по
формуле
где Етшх — максимальная энергия р-частицы в эВ.
Массовый коэффициент поглощения для 'у-излучения гораздо
меньше. При энергии излучения Л = 1 0 « эВ коэффициент поглощения для большинства металлов Цм=0,00б м'/кг. При уменьшении энергии у-квантов массовый коэффициент увеличивается
и становится различным для разных материалов и, в частности,
для свинца при
10® эВ ци=0,014 м^/кг.
Иногда поглощающие свойства вещества характеризуются
такой его толщиной, проходя через которую интенсивность излучения уменьшается в 2 раза. Так, например, для свинца при
Б = 1 0 ® эВ эта толщина 1,6 мм, для железа 2,4 мм и для алюминия 12 мм.
В результате рассеяния пучка частиц поток излучения еще
больше ослабляется, а,часть излучения рассеивается в обратном направлении, причём чем больше атомный номер вещества,
тем оно интенсивнее рассеивает излучение. Интенсивность рассеянного или отраженного потока излучения зависит от толщины материала и определяется формулой
где /рас и /рас шах —интенсивности рассеяния при заданной толщине материала (I и бесконечно большой толщине материала;
Црас — коэффициент обратного рассеяния.
р-излучение используют для измерения толщины листового
материала, не превышающей 2^о.5, ^излучение — при необходимости просвечивания объекта большой толщины.
Д л я измерения ионизирующих излучений используют ионизационные камеры, газоразрядные и сцинтилляционные счетчики
Ионизационная камера заполнена газом и в ней нахо• Дится два электрода, к которым приложено напряжение, обес69
печивающее их работу в режиме насыщения. В зависимойи
вида принимаемого излучения изменяется конструкция кам
но ее принцип действия остается одним и тем же: нзлучеГ
вызывает дополнительную ионизацию и увеличивает ток меГ
электродами. При этом может быть два метода измерения?
тенсивности излучения: подсчет числа импульсов тока, СООТВЙ
ствующего числу частиц излучения, или измерение средаег»
значения тока, обусловленного излучением. Подсчет числа иц
пульсов возможен только в том случае, если они достаточно
редки, и поэтому разрешающая способность устройства позво. 1
ляет их подсчитывать.
1
Наиболее широко применяют при измерениях газоразрядвц{
счетчики. В счетной трубке ионизационный ток усиливается за
счет самостоятельного газового разряда, поэтому можно рещ.
стрировать каждую пару ионов, образованную в трубке. Длц
гашения газового разряда применяют специальные электрнческие цепи. Эффективность счетчика, т. е. отношение чиш
частиц или квантов, вызывающих импульсы, к полному числу
частиц, попадающему в счетчик, невелика и составляет про- (
центы и даже доли процента.
[
В сцинтилляционных счетчиках под действием ионизирую-1
щего излучения возникают слабые вспышки света, которые воспринимаются фотоприемником. Их преимущество в очень коротком времени затухания флуоресценции, что позволяет таким
счетчикам регистрировать до 10^ и более вспышек в секунду.
Этим объясняется высокая точность измерений с помощью таких счетчиков.
В СССР установлена допустимая доза для у-облученн?
0,05 Р в день, но не более 0,3 Р в неделю. Мощность дозы по
активности источника (в кюри) определяется по формуле
где А — активность, мКи; — расстояние от источника, м; Х г
постоянная, численно равная мощности дозы в рентгенах за
один час, создаваемой точечным источником данного изотопа с
активностью 1 мКи на расстоянии 1 см от него. Д л я к о б а л ь т а
(Сово) / С , = 13,6 Р . с м 7 ( м К и - ч ) или 0,367-10-6 Р - м ^ м К и - с ) .
10. УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ
АТМОСФЕРЫ
Контроль атмосферы преследует несколько целей: определение ее состава, выявление газовых примесей в атмосфере
и их концентрации и определение загрязненности атмосфер»
твердыми включениями —пылью.
Для анализа состава атмосферы и содержания в ней различ"Римесей широкое применение получили фотоколо"
риметрические методы. Они основаны на том, что для всех эле70
ментов и множества соединений можно найти цветную реакцию,- позволяющую по степени окраски, контролируемой
фотоэлектрическими устройствами с цветовыми фильтрами, определить ' количество • примеси. Многообразие чувствительных
цвбтных реакций позволяет путем их сочетания проводить анализ сложных газовых смесей.- Реактивы, рекомендуемые для
определения различных элементов и их соединений, приводятся
в справочных руководствах, где указываются для каждого из
них особые условия использования. Для фотометрического ана- /
лиза атмосферы наша промышленность выпускает большой
ассортимент фотоэлектроколориметров-нефелометров и спектрофотометров.
; г
Электрохимический анализ атмосферы может проводиться
кулонометрическим, кондуктометрическим и полярографическим
методами.
•
••
<•
.
При кулонометрическом методе измеряется электродный ток,
к о т ^ ы й при 100%-ном выходе по току позволяет точно по закону Фарадея определить количество вещества, вступившего на
электроде в химическую реакцию. Для определения • каждого
вида примеси подбирают определенное вещество, которое
является деполяризатором и непрерывно подается с воздухом в
кулонометрическую ячейку. На основе этого метода, обладающего большой точностью, создано много газоанализаторов.
При кондуктометрическом способе через разные> растворы
прокачивают атмосферный воздух. Раствор выбранного типа
поглощает из воздуха определенный элемент- или соединение.
При поглощении раствором из газа примеси у раствора изменяется электрическое сопротивление. По изменению сопротивления можно определить количество вещества, поглощенного раствором. На этом методе основано действие многих кондуктометрических установок, выпускаемых • промышленностью. Этот
метод удобен для определения содержания оксида и диоксида
углерода и паров бензина в воздухе.
Полярографический метод основан на изменении предельного тока диффузии, возникающего при электролизе раствора с
помощью ртутных или других электродов. При определенных
условиях диффузионный ток строго пропорционален концентрации исследуемого вещества.
Д л я определения малых количеств примесей особенно перспективен метод газовой хроматографии. Он отличается высокими селективностью и точностью. Его недостатком является высокая стоимость хроматографов.
Д л я определения содержания органических веществ может
использоваться пламенно-ионизационный метод.
'
При анализе содержания пыли обычно используют фильтры,
через которые протягивают воздух.-Общее
Ределяют взвешиванием фильтра до и после его
71
и высушивания. Д л я определения химического состава
используют химические методы анализа.
Д л я измерения концентрации пыли используют весовые
диоизотопные, фотоэлектрические, индукционные и заоя ''
индукционные пылемеры. В радиоизотопных пылемерах к ^
ство пыли определяется по поглощению радиоактивного ИЗЛУ
ния. В качестве источника р-излучения используют изотоп Й
При индуктивном методе измеряется естественный заряд част!
пыли. В зарядно-индукционном методе частицы пыли заря^?
ются искусственно в коронном разряде.
г. ',
Наиболее полное представление о гранулометрическом со
ставе пыли дает фотометрический метод. Общее количество
пыли при этом методе оценивают по поглощению пылью света.
Д л я гранулометрического анализа воздух с пылью пропускают
через узкую щель между источником света и фотоприемвиком.
Концентрация пыли должна быть такой, чтобы в рабочей зоне
не могло находиться более одной частицы пыли. При большей
концентрации пыли необходимо добавить воздух, пропущенны!
через фильтр.
При прохождении каждой частицы фотоприемник затемняет,
ся, и в его цепи проходит отрицательный импульс фототока,
амплитуда которого пропорциональна площади частицы в плоскости фотоприемника. Анализ импульсов позволяет установить
гранулометрический состав пыли.
Этот метод не позволяет установить наличие частиц пылн
с размерами менее 0,5 мкм, так как при световой волне такой
ж е длины свет огибает частицы. Поэтому приходится переходить
на более коротковолновое излучение и, в частности, рентгеновское.
Если при рассмотренном методе излучатель 1 и приемник 3
расположены друг против друга (рис. 44, а) и разделены кюв^
тон 2 с воздухом, то при методе «черного поля» против излучателя 1 (рис. 44, б) находится поглотитель 4 излучения, а приемник 3 излучения расположен так, что на него может падать
излучение, только рассеянное частицами пыли. В этом с л у ч а е в
цепи приемника излучения проходят импульсы тока при попадании на него излучения, рассеянного частицей. П о с к о л ь к у
частицы рассеивают свет д а ж е в том случае, когда размер частицы меньше длины волны излучения, этот метод позволяет
обнаруживать частицы размером до 0,1 мкм и д а ж е менее.
[
.7
Рис. 44. Методы контроля ззпылеяност!
воздуха:
а — 8 прямом потоке с в е т а ; б — п о степени Р
с е в в а в в я светового потока
72
«
11, УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ СКОРОСТИ
И РАСХОДА ПОТОКОВ
•
•
• •
,
..
•
Многообразие методов измерения скорости потоков и
расхода не позволяет рассмотреть их все. Эти методы^можно
классифицировать по ряду признаков. В первую очередь следует
различать методы, использование которых приводит к сильному
воздействию на поток, и методы, при которых это воздействие
практически отсутствует. Кроме того, мы выделим методы, при
которых измеряется скорость потока в узкой струе потока, и методы, при которых, определяется средняя скорость потока в сечении. .
.
,
Мы не будем.рассматривать большую группу расходомеров,
основанных на измерении перепада давления в сужающем устройстве, а также тахометрические расходомеры и ротаметры,
так как они все потребляют значительное количество энергии от
измеряемого потока, нарушают характер его протекания, создавая дополнительную турбулентность. .
Практически не оказывают воздействия на поток электромагнитные расходомеры, которые более точно следует называть
индукционными. Поток жидкости, проходящий по трубопроводу, 5 из немагнитного материала (рис. 45), пронизывают магнитным полем, которое обычно создается с помощью электромагнитов 7 и 5. Внутри трубопровод покрыт изоляционным слоем
через который проходят два электрода 4 и 5. Магнитное
поле направлено перпендикулярно потоку жидкости и линии,
соединяющей электроды. Поскольку жидкость, например вода,
из-за присутствия растворенных примесей является проводником, то в ней при движении, как в проводнике, наводится ЭДС,
значение которой определяется законом электромагнитной индукции., При осесимметричном профиле скоростей в жидкости
между электродами создается ЭДС . '
.. •' '
•
'
'
'
•где В — индукция магнитного поля; Л—длина жидкостного проводника, равная диаметру трубы; Оср —средняя скорость жидкости.
•'
Так как площадь сечения трубы 5 = я 0 7 4 » то расход
.
^=Еп^|{4В).
Следовательно, при таком методе измерения ЭДС пропорциональна расходу жидкости С.
Описываемые расходомеры можно
^ «
ком диапазоне значений электропроводностей (от
До
10-5 С м / м ) , что они пригодны для измерения расхода практически любых жидкостей,
73
а
'>
б)
Рис. 45. Схема электромагнитного
(индукционного) расходомера
!
^
Рис. 46. Схемы ультразвуковых расвдо, 1
меров: >
•
I
а — с поперечный ультразвуковым лучок- б - '
с продольвым ультразвуковым лучок
|
«
•
При ультразвуковых методах измерения скоростей потоков
по жидкости пропускают ультразвуковую волну и по ее реакции
на движение жидкости судят о скорости потока. Различают метод, при котором ультразвуковая волна распространяется-перпендикулярно направлению скорости потока, и метод, при котором ультразвук распространяется вдоль или против потока.
В расходомере с распространением ультразвука, перпендикулярным к направлению потока, излучатель 2 {рис. 46, с),
возбуждаемый генератором
создает ультразвуковые колебания, Однако поток сносит ультразвуковую волну, и она отклоняется на угол в, зависящий от скорости потока: 51пе=1'ср/с,
где с— скорость ультразвука в неподвижной среде. Пересекая
поток, звуковая волна отклоняется на величину
где
—диаметр трубопровода. С увеличением скорости потока интенсивность звуковой волны, приходящей на приемник
расположенный напротив излучателя 2, уменьшается, а интенсивность колебаний, приходящих на приемник 4, увеличивается.
Устройство 5, сравнивающее сигналы, поступающие на приемники З к 4, определяет скорость потока
ее
ультразвуковой волны вдоль потока
т^бЗояЛ/
потока. Но, не меняя
него т п Т к ^ п о ^
««"^НУ можно пропустить через
ник / и от и ™
^^
излучателя / на прием«"1
излучателя 2 на приемник 3. В этом случае скорость
о.»! о/ч^
^^^ ультразвуковой волны пп гтпготпг
=
хождения
^ - ^ - с - г / . с о з а . Поэтому время проС
по?окГг
излучателя 1 к приемнику 4 по паправленаправления потока
Скорость потока
позволяет определить
Т 2 = 2 1 (С05 а/с2)
74
в этом случае измеряется средняя скорость потока усоед.
ненная по ходу ультразвукового луча
«отока, усред.
В фазовых расходомерах измеряется" разность фаз ультра:
звуковых колебаний е частотой
распро?траняющ5хсяТпо.
току и против него.
.В частотных расходомерах каждый последующий импульс
излучатель посылает только после достижения предыдущим импульсом приемника. В этом случае частота / = 1/т
Недостатком ультразвуковых расходомеров является зависимость их показаний от скорости распространения ультразвука, а она в свою очередь зависит от температуры, концентрации
примесей в потоке и т. д.
Молекулы воды полярны и поэтому, входя между электродами, наводят на электродах заряды. Поток воды, протекая между электродами, наводит на них хаотическое напряжение, которое называется напряжением шумов. Действующее значение
этого напряжения характеризует расход потока в промежутке
между электродами. Недостатком такого электрошумового метода измерения расхода является влияние на результаты измерения турбулентности потока.
ГЛАВА
3
ТЕОРИЯ ДИНАМИЧЕСКОИ ТОЧНОСТИ КОНТРОЛЬНЫХ
КОНТАКТАХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ У С Т Р О П Щ
I. РАЗНОВИДНОСТИ ДИНАМИЧЕСКИХ
ПОГРЕШНОСТЕЙ
Б отличие от многих универсальных измерительных
приборов подавляющее большинство автоматизированных устройств работает в нестабильных динамических режимах, обусловленных не только изменением контролируемых параметров,
но и перемещением изделия (линейного перемещения, вращения), соответствующих этому перемещению явлений колебаний
наконечников от изменения положения изделия, наличия разрывов на поверхности изделия, погрешностей формы, трения о поверхности детали, явления автоколебаний и т. п. Общеизвестно,
что статическая точность, например, автотолераторов часто составляет 1 ...2,5 мкм, в то время как реальная точность изготовления деталей с учетом динамики системы не выше 5...20 мкм.
Поэтому при проектировании или оценке точности существующих автоматизированных устройств необходимо иметь представление не столько о статических, сколько о динамических
характеристиках всей системы в целом, и в особенности о динамических характеристиках ее важнейшего элемента —измерительной головки. При этом необходимо учитывать в большей
мере переходные процессы, имеющие место в блоках системы.
Рассмотрим характерные разновидности динамических погрешностей. Так, во время контроля цилиндрических изделий
(рис. 47) с медленным вращением детали даже при наличии эксцентриситетов или погрешностей формы (например, овальности)
динамических погрешностей не возникает, поскольку наконечник находится в постоянном контакте с контролируемой поверх«^«^„'^и:^ п" '
" изменения измерительного усилия незнас?вие ин;п,?Г„
угловой скорости (О детали вследусГие Р
частей головки измерительное
Гос?ью
наконечника К с поверхмепитель^^^^^^
® результате изменения ^ Р измехаГчесГх
деформация воспринимаюших
примеГГзменяртгГ^^^^^
Р^^^тов) системы, напоГж^Г. "
"
®
точки контакта К ДО рас
Х е Г я При ^
первичного измерительного преобраеля, при этом в фазе подъема участка профиля измери-
рис. 47. Схемы контроля овальной
детали:
- ^ б е з отрывш наконеяннк!; б —с под.
брвсывввием В1к0нечник1; е - с соскоком
II
тельное усилие и деформации
ЗЕ
возрастают, а в фазе спада
участка профиля они уменьшаются.
Следовательно, даже
при постоянном контакте наконечника К с поверхностью контролируемого изделия Д будет
возникать первая динамическая
составляющая погрешности, вызванная изменением дефоомаинй
воспринимающих элементов. Наконец, при д о с т а т о ч н ^ ^ ^
^тельного
е л ' о г о наконечника,
н а Г н е Г и к ^ ^ ^что
^ ^ ^приведет к произойдет"?
ыв состав~
появлению втооой
ляющей динамической погрешности. Следует р а з л и ч а т Г д в е
разновидности отрыва наконечников: подбрасывание (рис 47. б)
и соскок (рис. 47, в). При подбрасывании в случае коГроля на-
Рис. 48. Виды траекторий перемещения наконечника при его отрыве:
а — с подбрасыааииеы; б — с соскоком; в —с деформвциев
V
Рис. 49. Отрыв наконечника при контроле поверхностей с разрывами:
наконечника в разрыв попояг
шпоночной канавки; б —
с ~®Р®сь:вание наконечника после удара
типа шпоночной канавки; в —
в е п х н ^ " Л иакоиечннка с разрывами по-
ДеЖми •
отдельными
\
777/777/^.
ч л и п ш наконечним при
--г-- его
Рис. 50. Отрыв
^ контролируемую поверхность
77
1
ружных поверхностей опз«
ната максимума увелнчива
ется (рис. 48. а), а при го!
скоке
уменьшается амплиту
3
1\
да перемещения наконечни
•///////> на (рис. 48, б). Кроме того
7//ШМШ ^
при обеих разновидностя)!
и,
отрыва изменяется и траеке
А
тория перемещения наконечников. Значительное искаРис. 5 1 . Автокадсбания наконечника
жение формы траектории
пеоемешення наконечника будет наблюдаться также в том случ а Г онс 48 в), когда в зоне Л 1 - Л , ' повторного соприкосновения поверхностей имеют место смятия или иные формы дефор.
маций.
Другим источником возникновения динамических погрешностей может служить явление удара соприкасающихся поверхностей, возникающее, например, при разарретировании наконечников, установке детали на измерительную позицию, наличии разрывов (рис. 49, а—в) на поверхности контролируемых
изделий и др. После удара (рис. 50) будет наблюдаться серия
подскоков измерительного наконечника с уменьшающейся амплитудой. В последнем случае возникает задача определения
момента начала контроля параметра при условии непревышения
наперед предписанного значения этой динамической составляющей погрешности.
Динамическая погрешность будет возникать и в том случае,
если на корпус устройства подаются привходящие извне колебания или возникают автоколебания наконечников (рис. 51).
Так, если изделие перемещается относительно наконечника в заданном направлении со скоростью
то наконечник в первой
фазе а за счет существующих зазоров или упругих деформаций
перемещается вместе с изделием на некоторую величину А/ь затем в фазе Ь происходит его отрыв с поперечным перемещением
на величину Д/а и, наконец, перемещением на величину Мг за
счет пружинящих свойств элементов крепления наконечника в
его третьей фазе с, заканчивающейся новым соприкосновением
с контролируемой поверхностью. При этом поперечные колебания наконечника часто сопровождаются колебаниями звуковой
частоты (слышен «писк» наконечника), что может служить признаком появления дополнительных динамических погрешностеи2. ВХОДНЫЕ ФУНКЦИИ КОНТРОЛЬНЫХ СИСТЕМ
пя.лниипг.^"®"^^"'^^^^^" контрольная системз воспринимает
этиТГРЙГ^^^^^^
воздействия или входные функиии,
эти воздействия можно разделить на два типа: п о л е з н ы е вход78
Чх
•Р
1
V уП)
Рис. 52. Искажение
составляющей
гармонической
Рис. 53. Искажение ступенчатой составляющей
ные сигналы в виде изменяющихся контролируемых параметров
и различного рода помехи. В расчетах, а также при экспериментальных сравнениях автоматических систем по динамическим показателям на вход системы подается типовой входной
сигнал, чаще всего имеющий вид гармонического колебания или
единичной (ступенчатой) функции. Так, например, входной сиглал будет изменяться по гармоническому закону вида
где
(1,2 ...)(1), при одноточечном контроле вращающейся цилиндрической детали, имеющей эксцентриситет, овальность (см.
рис. 47) или огранку. Входной сигнал в виде ступенчатой функции будет иметь место, например, при контроле поверхностей с
разрывами (см. рис. 49). Однако в реальных условиях при проведении испытаний контрольных систем в большинстве случаев
не представляется возможным воспроизведение входного сигнала с одной гармонической (рис. 52) составляющей (поскольку одновременно будут иметь место как эксцентриситет, так и
овальность) или ступенчатой функции (рис. 53) с прямоугольным фронтом (поскольку скругления наконечника будут приводить к его перемещениям по трапецеидальному или сглаженнотрапецеидальному закону). Реальный входной сигнал, т. е. сигпал, возникающий непосредственно при контроле изделия, будет иметь еще более сложный вид. Так, при контроле цилиндри-
Рис. 54. Образование реального входного сигиала
Рис. 55. Образование
входных сигналов
монотонных
79
ческого взла (рис. 54 а) на вход системы подается период,,^
ский сигнал (рис. 54, б) вида
п
(7)
где Хл —фаза й-й гармоники.
Для монотонно изменяющегося параметра, например разме.
ра вала при шлифовании детали (рис. 55), входную функцию
можно представить в виде
(8)
где
(кривая / ) , если подача V^ постоянна; '
(кривая 2), если процесс резания замедляется: , .
(кривая
если процесс резания изменяется произвольно.
В теории автоматического управления сигнал, образующийся на выходе автоматической системы, т. е. выходной сигнал
^.ы*. связывают с входным сигналом через оператор А по формуле
Оператор А системы или передаточную функцию обычно
представляют в виде функции комплексной переменной.
Передаточные функции и другие характеристики для типовых звеньев (усилительных, запаздывающих, интегрирующих,
дифференцирующих, апериодических, колебательных и т. п.) автоматических контрольных систем можно найти в специальной
литературе [12].
3. ТОЧНОСТНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
Для линейных систем автоматического контроля' за
динамическую погрешность принимают часть суммарной погрешности после исключения из нее статической составляющей.
нелинейных систем выделения отдельных созатруднительно, то удобнее рассмате ую о л Т п п ^ " ^ ' ^ погрешность средства контроля. оЬределясоставЗ^^^^
воздействием статической'и динамической
сГй
выявления типовой точностной динамичеГаче иа^ее вхп 7
^"^-^емы при по;
функшш^
В качестве типовой входной
весГыш/д^^^^^
гармонического вида. Снз" допущениями гармонический входной сигнал будет
80
«и1.дг
Шо
Рис. 56. Образование динамических
погрешностей
при
гармоническом
входном сигнале:
в— схема
сигналов
системы;
б—виды
ш'
Рис. 57. Амплитудно-частотная динэмическая характеристика
^
выходных
иметь место, например, при наличии эксцентриситета, овальности или огранок. При изучении переходных динамических погрешностей в качестве типового входного сигнала принимают
скачкообразное изменение контролируемой величины. Скачкообразное воздействие на вход системы будет иметь место, например, при перемещении под измерительным наконечником
деталей с разрывами (шлицами, шпоночными канавками, последовательностью неплотно расположенных деталей и т. п.).
При подаче на вход системы (рис, 56, а) сигнала синусоидального вида, т. е.
на выходе системы получают измененный сигнал вида
.
(9)
Действительный выходной сигнал Хвых.д будет отличаться от
теоретического сигнала Хвых.т вследствие искажения амплитуды
'^выхд==/а(о)) и изменения фазы Фд((о). Зависимость теоретического выходного сигнала от фазы Хвых.т—Дф)» при о)=0, может
быть получена, например, с помощью построения градуировочной характеристики при испытаниях в статических условиях.
Тогда относительной амплитудно-частотной выходной динамической характеристикой будем называть функцию вида (рис.57)
вых«т*
Д л я систем с нелинейными звеньями и в некоторых д р т х
случаях строят график абсолютных значений максимальной ам"литуды действительного выходного сигнала как функциональную зависимость от изменяющейся частоты. По амплитудночастотной характеристике можно определить систематическую
81
составляющую динамической погрешности, если известна г,,
Сильная частота «о изменения контролируемого параметра'''ДЛ (а.о)== Л^хдС-'^О)
К)
11 - Л
или диапазон изменения с-тучайной составляющей, если частот,
колеблется в пределах й)1<0)<0)2, т. е.
8А(«) =
И Ю - Л (Юз)].
Амплитудно-частотная характеристика имеет также тот фн
зический смысл, что позволяет установить участок О ^ щ Х
на котором изменение частоты практически не сказывается на
составляющей динамической погрешности, участок
значительного искажения контролируемой амплитуды, т, е
участок резкого возрастания составляющей динамической погрешности, и участок й)"<(1)<оо частот, которые совсем не
пропускаются системой. Последний участок характеризует те
предельные частоты, на которые система не реагирует, т. е. такие изменения параметра, которые проконтролированы быть не
могут. Тем самым, например, при достаточно высокой окружной
скорости вращения вала измерительный наконечник будет реагировать на изменения положения вершин (наибольшего диаметра), не успевая сколь-либо существенно опускаться во впадины.
Из (9) можно заключить, что с ростом частоты будет наблюдаться фазовое смещение фд выходного сигнала. Отображением этой зависимости, т. е. зависимости вида ф=/ф(о)), является частотно-фазовая характеристика (рис. 58). Фазовый сдвиг
(динамическую погрешность II рода) приходится учитывать,
например, удлиняя время выдержки изделия на измерительных
позициях автоматических контрольных систем или вводя коррекцию уровня настройки в устройствах активного контроля, так
как в последнем случае запаздывание сигнала на окончание об-
нГмнч^^а'^^хар^ст^^^^^^
32
Рис. 59. П ^ е х о д н ы е динамические
характеристики
работки приведет к дополнительному съему припуска. Часто в
Курсах теории автоматического управления графики (рис 57
/ 5 8 ) объединяют и строят в полярных координатах о & н „ую амплитудно-фазовую частотную характеристику, которая
однако, вследствие меньшей наглядности при анализе динамической точности систем автоматического контроля используется
редко. _
Другой важной характеристикой автоматических систем является динамическая переходная характеристика точности. Переходные процессы.возникают при включении системы в работу, при арретировапии наконечников, при ступенчатом изменении
контролируемой величины, при ударном воздействии на контролируемое изделие или систему; так, например (рис. 59), при
скачкообразном изменении контролируемого параметра хо (ломаная / ) переходной процесс носит колебательный (кривая 2)»
апериодический (кривая 3) или иной характер. Однако практически скачкообразное изменение контролируемой величины в
виде прямоугольного фронта импульса воссоздать сложно.
Вследствие скругления наконечника этот фронт будет иметь трапециевидную 4 или сглаженную 5 форму, что приведет к искажению теоретической переходной характеристики. Различие
между теоретической Хо выходной характеристикой (например,
ломаной I) и действительным Хвых(0
изменением (например,
кривой 2) позволяет определить текущее значение динамической
погрешности (ордината заштрихованной области), т. е. погрешности, изменяющейся во времени,
Д-^вых ~ •*() — -^вых (ОПри единичном входном воздействии (хвх=1) в операторной
форме можно написать Ахвых=
или, например,
для апериодического звена в обычной форме имеем
где А; —коэффициент усиления; т—постоянная времени апериодического звена.
Д л я автоматической контрольной системы наиболее важным
показателем является время ^пер переходного процесса, по истечении которого величина динамической погрешности Дхвмх становится пренебрежимо малой. В других случаях также указывается, время запаздывания <эап (время, по истечении которого
на выходе системы появляется сигнал), остаточная погрешность
при истечении заданного времени и др.
В реальных условиях на вход системы поступает в общем
случае ряд случайных реализаций входного сигнала, поэтому и
динамическая погрешность представляет собой случайную фуик
иию. Однако для наглядности рассмотрим ^ т д е л ь н ^
лизации. Методика определения динамических погрешностей за
83
1
Рнс. 60. Виды динамических
стей при контроле периодвчегЛ°^®Ч
ющихся параметров
^ чзк^])^
первую очередь, от
контролируемых отклонений Г
дельных или средних з н а Д
параметров, нх амплитуд р,,»^
стн параметров и т. п.). В нааоТ
щем параграфе рассмотрим лш!
контроль предельных значений параметров (рнс. 60). Текущее
значение динамической погрешности на выходе системы будет
определяться как разность между выходным теоретическим спг.
налом х,ыхл(0. который, в принципе, мог бы быть воспроизведен с помощью построения градуировочной характеристики, в
действительным выходным сигналом д:вы1.д(0:
ВИСИТ, В
д .ых ( О = ( О -
(10)
Так как при контроле предельных значений параметров кет
необходимости в оценке изменения текущего значения погрешности, а надо определить положение лишь его экстремальных
значений (например, контроль размеров при наличии отклонений от круглости), то будут иметь место два вида динамических
погрешностей:
Дщых! "•'^•ых.т
вб
^•ых.д (^01 «^шахиб»
Д1ых2=='Д?1ых.т(^0гг)т1авм — •*§1л.д(^02д)п11пнм»
где <01,
абсциссы значений времени, при которых функция
соответствующего изменения контролируемого параметра првнимает значение, наибольшее или наименьшее из всех своих
значений за период Гкон контроля. Следует, однако, заметить, что
для определения динамических погрешностей, как и статических, не.'елйр)
обходимо привести погрешности выходного параметра к погрешности
'8глл(()
входной контролируемой величины;
*
„
'
н ^
"°П)еш.
84
^
где к — коэффициент усиления.
Для монотонно изменяюшегос*
контролируемого
параметра
пример, при контроле валов в пр
Цессе их обработки, рис. 61
%
жение
дей'ствител'ьн'ого
си^
д (О по сравнению с теоретв'»'^
ским.Хвых.т(0
ностй
приведет к возникновению динамической погреш_
^ в ы х — .
где /с — момент времени, при котором достигается уровень нас т р о й к и системы и появляется команда на изменение течения
технологического процесса. При известном законе функциональной з а в и с и м о с т и ( О значение ^ может быть найдено из
условия Хвых.д ('с) = 0 .
Если типовые динамические характеристики позволяют сравнивать автоматические системы по точности, то выявление функдиональных зависимостей динамических погрешностей в реальных условиях позволяет выбрать требуемые режимы работы при
заданных допустимых значениях погрешностей.
4
I
4. УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ
ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ
Поведение подвижных механических элементов автоматических контрольных систем описывается на основе методов,
разработанных в теоретической механике.
Для вывода уравнений движения линейных упругих систем,
состоящих из п масс, целесообразно применить принцип Даламбера, позволяющий получить уравнение в следующей форме:
(И)
где гпк — масса выбранной Л-й точки системы; х/— перемещение
/-Й точки системы; глг — коэффициенты влияния; Р*(О—сила,
приложенная в к-и точке системы.
Уравнение (11) справедливо для линейных систем, у.которых отсутствуют силы сопротивления, пропорциональные скорости движения, и масса гПк смещается в направлении лишь одной координаты х. Если
закон изменения положения массы Шк более сложный, то составляют уравнение для
двух или трех компонентов ее перемещения.
Для базовой массы т к , соединенной с рядом взаимодействующих масс I — / линейно
упругими связями (рис. 62), справедливо
уравнение
I
!
Рис. 62. Многомассо-.
В уравнений (12) индексы 1 и / относятся к силам упругости ( м а с с о й / ) , дейст-
вая колебательная система
85
вующим соответственно в отрицательном и положител
правлениях относительно выбранного направления п е ^ ' ^ ^ ' '
влоль координаты х». Величины Хо/ и Хо/ характеризуют
рительные поджатия пружин со стороны масс т ^ и т
и хл/(О — закономерности перемещений воздействуюшн^
в выбранной направлении Хл. Учитывая, что в разбираем ^^^
найдем
(13)
где Сх*=2с/+Хс/ —суммарная жесткость воздействующих пру.
жии;
2
— число всех упругих связей с взаимодействующими массами ^ и /.
Уравнение (13) позволяет установить закон перемещения
каждой й-й массы л-массовой системы. Если массы взаимосвязаны упругими связями, то ряд членов, отражающих силы упругости в (13), являются попарно одинаковыми по величине, но
разными по знаку. При наличии кинематического замыкания,
когда колебания системы вызываются путем приведения в дви-
а. о —одномассовая с воступательиыи
86
автоматического контроля:
.
трехрычажная
^ение
по заданному закону одной или нескольких точек систе.
м".
(13). характеризующих^
ЛЫ упругости, заменяется силами реакции Я*(х).со стороны деталей, осуществляющих кинематическое возбуждение
' Рассмотрим характерные схемы определения законов дви;кения элементов головок систем автоматического контроля (рис.
63, а—з). Наибольшее распространение получили двухточечные
двухмассовые системы (рис. 63, в, г), подвижный корпус в которых имеет массу т , , а измерительный шток —массу т2. Тогда на основании уравнений (13) для двухмассовой системы можно написать
•
+
-
. 1
( 0 1 + ( д ? ! - х^)+С, [х, (О -
]=О;
где С1 и С2 —жесткость пружин растяжения; Сз и Сч —жесткость
упругих элементов сжатия, учитывающих упругие деформации
измерительных штоков;
^2(0. и & (О—перемещение опор,
т. е. в первых двух случаях — перемещение . точек, контакта с
контролируемыми поверхностями,
(О—перемещение точки
подвеса головки, вызванное привходящими вибрациями. Для
двухрычажной системы (рис. 63, ж) можно написать систему
уравнений такого же вида, как и система (13), в которой, однако, вместо масс т необходимо подставить моменты инерции / ,
а вместо линейных х угловые перемещения ф. Если упругими деформациями штоков или рычагов головок можно пренебречь, то
необходимо рассматривать случай кинематического возбуждения
вибраций в точках соприкосновения изделия с измерительными
и базовыми наконечниками. Итак, если в системе (рис. 63, г)
отсутствуют упругие связи Сз и Са, а точки,контакта совершают
перемещения по заданным значениям
и Х2; то дифференциальные уравнения будут, иметь вид
"
I
• '
*
* -
где ;:01, д:о2 —предварительные натяжения соответственно с
жесткостью Сх и Сг; Р\, Рг — в е с тел с массами Шх и шг; Лцг).
^ 2 ( 0 — реакция воздействия на массы т , и /Пг со стороны контактных точек поверхностей контролируемого изделия.
Поскольку при кинематическом возбуждении законы х, и Х2
перемещений контактных точек известны, то из этих дифференциальных уравнений можно определить реакции
"
•а по ним у ж е значения деформаций элементов головок или моменты отрыва наконечников от поверхности изделия.
•
87
Ч ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ПОГРЕШНОСТЕП,
ВЫЗВАННЫХ
СИЛОВЫМИ Д Е Ф О Р М А Ц И Я М И
в первом приближении шток и рычаг измерительн;.
м о ж н о
представить в виде линейных упругих систеЛ
пренебречь. Изменение контролиру^^^
гГпараме?ра приводит к перемещению иаконечинков. а сил!
воздействующая на наконечники, изменяется Изменение изме!
Гйт^ьного усилия приводит к изменению деформации наконе,.
КГков и следовательно, к появлению динамическом погрешности
первого рода. Так. для одномассовои контрольной системы {с«.
рис. 63, б) иожт написать па основании уравнения (11) .
тх-^-сх+сХа+Р^^и).
(14)
где т — м а с с а подвижной части системы; с —суммарная жесткость упругих элементов: дго —предварительное натяжение пру.
жин; Р —вес подвижной части системы; Я Щ — реакция со стороны контролируемого изделия.
Если контролируемый размер х изменяется по гармоническому закону вида (7), то
(15)
И тогда (14) можно представить как
или
Следовательно, динамическая погрешность,
формацией штока,
вызванная
2 в* Ншк 81п
+X^^)] |
»-1
)/
I
где С2—жесткость штока.
рри
Систематическая составляющая акС\ компенсируется
предварительной настройке. Наибольшая возможная динам
екая погрешность этого
этого вида
вида
88
6. РАСЧЕТ КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
При взаимном соприкосновении кинематических пао
головок автоматических контрольных систем при опреде^^^^
(критическом) значении входного параметра (частоты амп^^^^^^
туды, скорости изменения и т. п.) возможен раэрыв кин^матич^
ской цепи. Этот разрыв чаще всего происходит в местеТущес?вления контакта воспринимающего элемента (наконечникаЬс
поверхностью контролируемого изделия, а иногда в другом месте соприкосновения передаточных элементов измерительной цепи, где имеются неудерживающие связи. Разрыв кинематической цепи приводит к возникновению динамической погрешности
первого рода (см. рис. 49), поскольку восприятие изменения контролируемого параметра исключается. Математическим отображением разрыва кинематической пары является равенство нулю
реакции / ? ( 0 со стороны воздействующего звена.
Целью определения значений критических параметров является выбор докритических режимов, т. е. определение возможной предельной производительности контроля на данной измерительной позиции. Если входные параметры превышают критические, то необходимо либо принять меры к конструктивному
усовершенствованию измерительных позиций или измерительных
головок, либо рассчитать возможную динамическую погрешность.
Итак, необходимо составить уравнения движения всех звеньев
измерительной цепи, по известной входной функции найти законы движения этих звеньев и, приравняв нулю величины реакций в рассматриваемом месте возможного разрыва цепи, определить, исходя из наихудшего случая, значение критического параметра.
Определим критические параметры одномассовой системы
(см. рис. 63, а, б ) , пренебрегая возможными деформациями ее
элементов ( с 2 = о о ) . Тогда, если считать, что разрыв кинематической цепи возможен в месте соприкосновения штока с поверхностью контролируемого изделия, то на основании (14) условие
отсутствия этого разрыва будет
где
— перемещение подвески корпуса системы, вызванное
привходящей вибрацией.
Пусть входной параметр изменяется по гармоническому за'^ону вида (7). Тогда, учитывая (15) и (16), можно наити
п
С
+ ;Со - 5
2
+
"
т
^^ "
^
^
а
89
=_1.т.е.
к 2
/
(17)
Л.1
гяе < , « = / 7 7 ^ - с о б с т в е н н а я частота системы.
Исходя из (17). можно найти с^педующие критические значения параметров, при которых невозможен отрыв наконечников
от контролируемой поверхности, а именно-предварительное на.
тяжение пружин:
комплексный амплитудно-частотный показатель
/а
^ с(До/2-4-.го—етм) + Я
.
А-1
значение критической частоты шкр; если имеющие место погрешности изменяются с периодом, кратным некоторой частоте в
(обычно частота о равна частоте вращения детали), то
с
дго - 5„„х] + Я +
^
/
2
й
« 2
^^^
'
значение критической амплитуды доминирующей составляюше^
контролируемого параметра
'^кр'^
Тг
^
•
Из этих формул видно, что с целью увеличения производи^
тельности контроля или уменьшения динамических погрешностей
первого рода необходимо уменьшать массу подвижной систем^.
" Р У ^ " " " " ее предварительное иатяЖ^
Гжет
увеличение натяжения пруж
нежелательным задирам на контролируем^^
поверхности, появлении рисок и т п
явл^'т^ся
^^^"««"ОГО разрыва кинематической пар
является ударное взаимодействие наконечника с контрол"!'^
емым изделием. Ударное взаимодействие возникает пои оезком
разарретировании наконечника, прохождении разГива"^ контро
,,
-
- Л о - з у к , т форму-
т^с^^
(18)
и формулу определения коэффициента восстановления
где /Ид .и Шк —массы соударяющихся тел; Хд' и Хд" —скорость
контролируемой детали до и после соударения; л / и Лк" —скорости контактных измерительных наконечников в те же моменты времени.
В качестве примера рассмотрим схему одноточечного контрольного устройства (рис. 64), с помощью которого надлежит
осуществить контроль высоты Л расточки. При этом деталь, перемещаясь снизу вверх на величину ао. внезапно соприкасается
со сферическим наконечником измерительного штока массой т *
и затем перемещается до полного соприкосновения с базовой
поверхностью Б. За начальные условия / = 0 примем те, при которых осуществляется соприкосновение детали с наконечником,
т. е, х = х ^ \ Х к ' = 0 ;
(где дго —начальное значение перемещения измерительного наконечника для создания предварительного натяжения измерительной пружины с жесткостью с).
Массу детали Шд, принудительно перемещающуюся с помощью
подъемника, можно считать бесконечно большой, и тогда на основании (18) и (19) имеем
После удара наконечник будет
двигаться по закону, описываемому
уравнением вида
(20)
где р1=:схо-{-Р; Р — в е с подвижных
частей штока.
Решение
дифференциального
уравнения (20) имеет вид
—Р х К т А
'де сйо=У с / т к — собственная частота подвижной системы штока.
3Е
УТ\
-«-1-
Рис. 64. Схема возникновения
дипамичсскои погрешности от
удара для одномпссоиои спстсмы
91
пля нахождения момента / | прекращения движения
и те^ самым его остановки необходимо п р и р а в н я т ь ^
Щ
;Рвую производную от функции (21):
(22)
х?д ( 1 + Т 1 ) С05 V -
51п
=
о,
(23)
«о
Используя
(21)
и
(23). найдем максимальное
штока:
перемещение
5Ш
«О
+д:оС05 [агс1? М Ь М )
1
Л
'л"
я
ШГ
"ТЖ
^ис 65 Т
92 '
'
соударений детали и измерительного наконечника
(2<)
Если перемещение штока равно перемещению летали ппгп^
ее удара со штоком, т. е. если соблюдать у ~ я
ТО 'практически отрыва наконечника от КОНТ%ЛЙ?У?МОЙ
^
„ости не происходит. Тогда, учитывая, что
малТ
личина, можно из выражения (24) найти критическую скорость
1;д.кр изделия в момент соударения его с наконечником. Г и ко^
торой возможен отрыв:
-«пилим, при ко
'
(25)
где
—перемещение детали после удара соприкасающихся тел.
Если
ТО появление отрыва возможно и в момент мгновенной остановки детали после ее соприкосновения
с базовой поверхностью Б. Кроме того, формула (25) позволяет найти рекомендуемые значения предварительного натяжения
Хо пружины, перемещение 6о детали и возможную наибольшую
динамическую погрешность Лвых(0=*тах--Хо—6о. Для типовых
схем возникающих соударений детали и измерительных наконечников (рис. 65) справедливы следующие формулы определения скоростей наконечников после удара:
^к^^^Ипри
(рис, 65, а);
(при Хк=0) (рис. 65,
(при Лк=0) (рис. 65, в);
I
при скольжении детали (рис. 65, г)
(при ^ ^ = 0 ) ;
при качении детали (рис. 65, а)
(при
.
7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЙ ОТРЫВА НАКОНЕЧНИКОВ
ОТ ПОВЕРХНОСТИ КОНТРОЛИРУЕМОЙ ДЕТАЛИ
Разрыв кинематической измерительной.цепи в любом
ее месте, где есть неудерживающие связи, происходит в момент
отсутствия реакции / ? ( О = 0 в (14). Представив проекцию привходящих колебаний подвески на линию измерения в виде суммы гармонических составляющих
А-О
93
1
и приняв при / = 0 дг—Со*; ^ = X о ^ д л я 0)0=5^©» найдем зак
ремещенйя (полета) наконечника [см. выражение (22)]( П ^ А г соз
+ 2
^^^(—РуЦт^) +
«^(^Ьш
где
I
к-0
Для периодического изменения контролируемого параметра
вида (7) текущая динамическая погрешность (см. заштрихованную часть рис. 66) на основании (10) будет
Д>вых
«X ( О = А (О - ДГд ( 0 = Л1 С05 V
V
-
I
МтО
п
Наибольшие динамические
режиме:
при контроле максимума
погрешности в установившемся
(0|твхкв—
при контроле минимума
При контроле среднего значения
^•ыхз—
2
при контроле амплитуды
2
I
где ^02—момент времени повторного соприкосновения
ника с контролируемой поверхностью при условии, что ^то"^ ^^
мент наступает после прохождения контролируемым п^Р^^х К^я
своего наименьшего минимума (см. рис. 48, а, б, точка ^ 2 ) - ^ '
случая соприкосновения в точке Л1 значение Хв(<о2) должно о
выбрано равными [хд(0]т1пвм.
94
11-4
Рис 66. Текущая динамическая погрешность, вызванная отрывом измерительного наконечника
Рис. 67. Изменение значения отскока
наконечника при его ударе
Момент времени ^02 может быть определен как наименьший
из всех вещественных значений корней уравнения вида
при
где и п (2 — моменты возникновения первого и последнего отрывов наконечника в пределах одного цикла Г=Гвб—Гнн изменения контролируемого параметра.
При ударном воздействии детали на измерительный наконечник, например для случая соприкосновения, изображенного на
рис. 64, наибольшее значение отрыва (рис. 67, кривая /) штока
можно найти как
где Хтах I определяется по формуле (24).
После появления первого отрыва в момент времени то в моменты Ть Т2... Тп наконечник будет соударяться с изделием в результате второго и последующих ударов. Наибольшая величина л-го отрыва
*вых
«о
5Ш
агс1е
агс1д
2
где
агссоз
I
(26)
(27)
^ В выражениях (26) и (27) Хтахп-! обозначено как наибольшее натяжение пружины при предыдущем отрыве наконечиика. Кроме того:
95
время, х з р а ^ с г е р и з у ю щ е е наибольшее значение отр^з^
П-М отскоке,
как величина Двых(М с увеличением л будет
(см рис. 67. кривая 2 . то. задавшись пренебй
Г м а л о П е л Й н о й п о г ^ ш н о с т н еДзих. вызванной отрыв^^^^
(26) найдем
Определив по (28) ^„е=ИеАвых). становится возможным не.
• г о д о м пос-1едовательных приближении найти полное время начала съема сигнала:
2
Практически уже после 3—4 соударенуш значение отскока стаковится пренебрежимо малой величиной,
В реальных условиях на вход системы подаются случайнщ
функции с изменяющимися формой и параметрами. Поэтому необходимо определить не только систематическую часть суммарной погрешности, но н ее случайную составляющую с математяческим ожиданием, корреляционной функцией и дисперсии.
Методы определения предельных динамических погрешностей с
учетрм случайного характера входных функций изложены в работе [12].
8. ПОКАЗАТЕЛИ ДИНАМИЧЕСКОИ ТОЧНОСТИ
И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Показателями динамической точности автоматической
контрольной системы являются, в первую очередь, частотна
характеристики: передаточная функция, переходная ФУ^"^,;
амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристика, вре»
срабатывания и частота соответственных колебаний. В качест
дополнительных показателей могут служить характеристик"
критических параметров (частот, амплитуд, линейных скоро
ДИ!1амической погрешности. Кроме того.
необходимо п о в о д и т ь испытания авто
Выбпп
виброустойчивость и в и б р о п р о ч н о с т ь ,
ными
Показателей определяется производс^
Г е е к ^ ^ Г к ^ ' . ^ ^ о ^ ^ Р Ь ' х будет эксплуатироваться систем;
^ ''^«^^РУкииеи. Так, для систем, предназначенных ДЛЯ
\
троля погрешностей размеров, формы или положений вращающихся и перемещающихся деталей важны амплитудно-частотпая характеристика, критические частоты и амплитуды, критическая скорость^арретирования наконечников и др. Для системы,
осуществляющей контроль прерывистых участков поверхности,
имеет смысл дополнительно выявить частотно-фазовую характеристику, переходную функцию точности, время
срабатывания.
При выявлении динамических характеристик важное значение
имеет вид входной функции и ее отличие от идеализированной.
Обычно входная ступенчатая функция при реальных испытаниях изменяется не мгновенно и имеет сглаженную форму, что приводит к искажению переходной характеристики. При поверке
амплитудно-частотных характеристик синусоидальный входной
сигнал воспроизводится с искажениями, поскольку не представляется возможным полностью избавиться от гармонически;^ составляющих более высоких порядков.
Динамические показатели могут определяться не только в
лабораторных, но и в производственных условиях, когда на систему одновременно оказывает влияние комплекс динамических
факторов. В отдельных случаях имеет смысл определять динамические показатели не только всей системы в целом, но и ее
отдельных частей или блоков, например преобразователей, ее
линейной и нелинейной частей, используемых элементов и др.
Поэтому ниже рассмотрим характерные примеры и методы выявления типовых динамических характеристик.
Испытания на вибропрочность и виброустойчивость. Этот вид
испытаний осуществляется на вибрирующих платформах типовых вибростендов, позволяющих воссоздавать вибрацию с широким диапазоном изменяющихся параметров (частоты, амплитуды, видов режимов работы и др.).
При испытании на вибропрочность после установки головки
устройства на виброплатформу и пуска ее для работы в заданном (например, ударном) режиме осуществляется последующая проверка на нормальное функционирование всех блокрв
устройства (на отсутствие их поломок или повреждений).
При осуществлении испытаний на виброустойчивость (рис.
68, а, б)' корпус 4 головки устанавливается на вибрирующую
платформу 1, а наконечником 3 устройство соприкасается с элементами сравнения 2, позволяющими определить положение действительного уровня срабатывания. Затем вибростенд запускается в работу, при этом варьируются параметры вибрации (частота и амплитуда). При фиксированной частоте и амплитуде путем многократный перемещений элемента
2 находя,
положение действительного уровня .срабатывания В р е ч н о м
итоге полученные данные испытаний позволяют построить граФики, характеризующие систематическое смещение^ур^^^^^^^^
с
р
а
в
н
е
н
и
я
стройки, и опредмить случайную составляющую, характеризу
4^185
Рис. 68. Схема вибростсядз,
имитирующего
воздейавяе вибраций на
корпус гйювки:
а —схем* нспытаянй голов,
кя с одявм •вкокечваком;
Л —схсиа испытания голов*
кя с двум* язкокечинЕвми;
в — схема отечетяого
мента;
/
хлрвктеристика
смещенн* уровшя я»стро81Сн:
хврактернстиаи
зоны
н«стаб»льности
срабагыи-
ния
ющую нестабильность срабатывания. Такая методика является
одинаково приемлемой для систем как с аналоговыми выходными сигналами, так и с пороговыми элементами (например,
с электроконтактными преобразователями). Недостатком у подобных методов испытаний являются необходимость расположения дополнительных, как правило механических, элементов сравнения (клиновых или микрометрических передач) на вибрирующих платформах, необходимость оперирования с ними при наличии вибраций, и иногда, вследствие инерционности масс этих
элементов, привнесение в результаты испытаний дополнительных погрешностей. Для систем с аналоговыми преобразоватеп п Г ж . и ? ^ ' ' ^ г®""""' ^"«остными и др.) возможно определение
вапиы! п . Л
срабатывания по аттесто^уГе
настройки самих головок. В этом
вместо
наконечники устройств соприкасаются
руюшей
^ жестко закрепленными на вибриКГзадав
"ЛИ другими базовыми поверхпостяки^,змепительнпи^
" перемещая элемент настроиизмерительнои головки, добиваются появления к о м а н д н о г о
98
сигнала, а по шкале элемента сравнения определяют значения
начального уровня настройки. Недостатком Подобных методов
является необходимость снабжения головок в Т о к о т о ч н ^
Т
дежными и оцифрованными системами п,строСТогсче1а
от'
клонений в единицах контролируемых величин
определение амплитудно-частотных характеристик. Для выявления амплитудно-частотной характеристики^достаточно определить отклонение амплитуды колебания выходного звена
устройства от его статической амплитуды Л (0),
^ величину
±
(29)
где М[^А [Р
неслучайная функция (математическое ожидание) амплитудно-частотной характеристики, построенная в зависимости от изменения параметра Р, например частоты о или
скорости V; а(Ры.V) — случайная функция амплитудно-частотной
характеристики (ее случайная составляющая), построенная в зависимости от изменения параметра Р, например частоты о или
скорости V.
Амплитудно-частотная характеристика может быть выражена
и в относительной форме через величину
(30)
А(0)
Снятие амплитудно-частотных характеристик устройств, проводят на вибрационных стендах, у которых на измерительные и
базовые наконечники подаются колебания переменной амплитуды и частоты (рис. 69. а, б), При этом используют либо аттестованные шкалы элементов настройки устройств, либо дополнительные образцовые средства, выполненные, например, по схеме, приведенной на рис. 68, в.
В результате проведенных испытаний получают зависимости
вида, показанного на рис. 68, г и д, которые позволяют выбрать
рабочие режимы эксплуатации устройств или, если эти режимы
уже предопределены производительностью работы технологического оборудования, установить возможные привносимые погрешности, обусловленные колебанием частотного параметра. Такие
иМИТИРис 69 Схема вибростенда,
руюи^го воздействий вибрации на измерительные наконечники
ч
4«
99
испытания являются достаточными для одноточечных устройся,
Г а Х н изменения частотных характеристик которых и
характер воздействия могут быть практически полностью вос
созданы на вибростенде.
Однако для двух- и трехточечных устройств таких испыта
ний уже недостаточно, поскольку в реальных условиях на нако!
нечник воздействуют периодические колебания не только сдви.
нутые по фазе, но и. например, в протнвофазе (необходимо про.
водить испытание на наихудшее возможное сочетание входных
колебаний). Поэтому для двухточечных устройств являются
возможными испытания, имитирующие овальность (наконечники
работают в противофазе), а для трехточечных устройств важны испытания, имитирующие воздействие огранок (например,
трехгранок).
Наиболее простым путем выявления амплитудно-частотных
характеристик с подачей на вход системы гармонических колебаний, находящихся в протнвофазе, является использование эллиптических оправок. Изменяя частоту вращения оправки, например с помощью аттестованных шкал самого устройства, определяют действительное положение уровня срабатывания и
строят амплитудно-частотную характеристику.
Недостатками эллиптических оправок являются сложность
их точного выполнения по заданному (теоретическому) профилю. невозможность варьирования амплитуды входного сигнала
и невозможность наложения на гармонические составляющие
монотонной систематической составляющей, имитирующей изменяющийся размер, например вследствие осуществления шлифования_ поверхности детали. Частично отмеченные недостатки
могут быть устранены на стендах (рис. 70) с дополнительными
рычагами / и 5, соприкасающимися с эксцентричной оправкой
Рычаги 10 и 16 испытуемой головки 14 устанавливают на доведенные плоскости 6—17: снаружи для головок, контролирующих охватываемые размеры, и изнутри (показано штриховыми линиями) при контроле охватывающих размеров. Амплитуду колебаний изменяют регулировкой эксцентричной оправки 3
. . 1 7
1 13 П 15
Ш
М
'
^ А
""""""^ь-
—
^ ^
Рис. 71. А„п.„туд«о-.астот.,ые
мические характеристики с оолаи
их рассеквания
^
или перемещением контактных элементов головки микоовин15. Частоту ^^^^^^^^
регулировкой числа ?бГро.
тов двигателя постоянного тока, связанного с оправкой 3 а отсчет действительной частоты вращения оправки осуществляется тахометром 2. Для головок с аналоговыми преобразователями отсчет действительных уровней срабатывания производится
по элементам и , и точной настройки испытуемой головки
снабженными аттестованными шкалами 11. Для систем с пороговыми входными элементами положение уровня срабатывания
определяется по положению клиновой детали торцевого кулачка 7
со шкалой 8 от привода 9. Кроме того, торцевой кулачок 7 позволяет имитировать подачу на вход системы монотонно изменяющейся составляющей входной величины, В последнем случае
положение действительного уровня срабатывания определяется
по шкале 4 стробоскопа, коммутируемого с выходным сигналом
головки. Пружина 18 служит для регулирования усилий поджатий рычагов / и 5.
В результате испытаний строят зависимости (29) или (30)
(рис. 71), имеющие систематическую и случайную (зоны нестабильности срабатывания) составляющие. Подобные стенды обладают широкими возможностями для снятия динамических
характеристик. Основным недостатком таких стендов является
увеличение массы подвижных частей за счет рычагов /, 5: следовательно, нецелесообразно их использование для проведения
испытаний на больших частотах.
Определение переходной функции точности и времени срабатывания. Определение переходной функции точности проводят
для устройств, на наконечники которых воздействуют внезапно
прилагаемые усилия. Эта характеристика может быть выражена
как
где x{^)—переходная функция точности устройства; Хст(1) —
единичная (статическая) входная функция.
Наибольшую сложность при стендовых испытаниях устройств
представляет имитация на выходе системы идеализированнои
единичной входной функции. Самым простым способом ее воспроизведения было бы, например, осуществление практически
мгновенной подачи на вход напряжения путем простого замыкания электрических контактов, изменения состояния триггера
и т. п. Однако в этом случае будет учитываться только поведение электронных блоков системы, которые практически оезинерционны. Поэтому используют различного рода с^нды, в
которых под измерительные наконечники подают
рот, из-под них снимают) образцовые изделия, с помощью спе
^^иальных устройств разарретируют наконечники и т. п.
в одном из подобных стендов (рис. 72, а) измерителе,
головку / устанавливают на стойке 2. В транспортирующий >
П (с кулачком 14 и контактами 15), вращающийся от элеV, ^
двигателя 17 постоянного тока через редуктор 16, закладыв!!?"
^ ^ Х о в а н н ы е шарики 10, Частоту вращения электродвигат^
/ Г м о С о плавно регулировать Амплитуда дгст входного сигнал
перемещением винта ^ установленного на жестк
кпоштейне
Кроме того, винт 6 ограничивает перемещепи
п а ы к Г Г подвешенной на четырех жестких пружинах 18, в то
ГоГент/когда под наконечником 9 с опорой 5. жестко закреп,
ленными на рамке 5. отсутствует шарик Ю. Если под накопеч.
НИКОМ 9 с расчетной шириной I (рис. 72, б) находится шарик/О,
то между головкой винта 6 и рамкой 5 образуется зазор
Таким образом, рамка 5 при подаче под наконечник 9 шарика/(?
получает линейное перемещение на величину дгст, контролиру.
емую при помощи показывающего прибора 12. С верхней частью
рамки 5 находится в контакте измерительный наконечник 4 головки выходной сигнал с которого подается на экран шлейфо.
вого осциллографа. Длительность т (рис. 72, в) измерительного
импульса определяется частотой вращения транспортирующего
диска 11 и шириной наконечника I, а частота следования импульсов Го —шагом а между центрами шариков диска 11 и часС
д
а
е
т
с
я
—*
Та
6}
9 /0/1 \
ФУ'-^ИЙ .очиости:
102
и^РМодвая характеристика процесса
1}
тотой его вращения. При использовании вместо набора шариков
лишь одного калиброванного шарика труднее наблюдать на экране осциллографа за быстропроходящим изображением переходного сигнала. Наблюдая линии на экране осциллографа, можно построить переходную характеристику и по отдельным точкам
Х1{Х1) (рис. 72, г), т. е. в зависимости от продолжительности Х1
подачи входного сигнала. Второй метод определения переменной
величины
сигнала состоит в том, что используют аттестованные шкалы элементов настройки измерительной головки 1
'до срабатывания релейного блока устройства. Контроль действительного перемещения рамки 5 в динамическом режиме осуществляется практически безынерционным датчиком 7, имеющим
высокую рабочую частоту. Сигнал с датчика 7 также подается
на вход осциллографа. Снятая зависимость переходной характеристики (рис. 72, 5) позволяет определить постоянную времени Г, время переходного процесса и др.
Другой немаловажной характеристикой является время срабатывания, которое позволяет определить момент начала съема
сигнала, перебег инерционных систем за статический уровень
настройки и т. п. При линейной скорости V перемещения каретки, которой управляет система автоматического контроля, это
время
где Ах —выбег исполнительного устройства за
статический уровень настройки.
В реальных условиях перемещение каретки (для систем активного контроля) осуществляется не простым отключением подачи, а торможением путем изменения направления или знака
подачи энергии, т. е. противовключением. Поэтому конструкция
стенда, в котором время срабатывания определяется косвенно по
перебегу исполнительного устройства, должна позволить определить длину выбега в двух режимах: в режиме отключения подачи и в режиме противовключения.
На одном из стендов (рис. 73) испытуемую головку 4 устанавливают на рычаге 5 в каретке 6 с регулировочным винтом и
15
Рис. 73, Стенд для определения перебега
103
«ястоаивают на заданный уровень срабатывания перемещен.
При испытаниях перемещение измернтельногГЙ"
' н Г и к а ссун^ествляется от элект^о^^^^
14 винтовую пару 15, клин 11, клиновую стоику ^ и рычаг/
Й ч а г 5. с одной стороны, имеет беззазорныи пружинный ша"
^ р . расположенный на стойке
а с другой стороны регулиру !
мую опору 7. Каретка 6 позволяет изменять в небольших пре.
д м а х передаточное отношение рычага 5. Кроме того, скорости
перемещения наконечника могут изменяться в широких предела*
изменением передаточного отношения редуктора 14.
Наиболее простой способ определения времени срабатывания
состоит в том, что сравнивается момент появления выходного
сигнала на выходе испытуемой системы «головка 4 —исполнительные элементы 8 головкиэ с образцовым датчиком 1, который
также настраивается в статическом состоянии по столику 9.
При перемещении с постоянной скоростью клина / / и стойки 3
в момент, соответствующий начальному уровню настройки, образиовый датчик / выдает сигнал, который запускает электросекундомер 2. Прекращение счета времени секундомером осуществляется от электрического исполнительного элемента 8 испытуемой головки 4. Вследствие инерционности испытуемой системы момент срабатывания не будет соответствовать первоначально настроенному размеру. Недостатком подобного метода
является то, что образцовый датчик со своим электронным блоком должен быть практически безынерционным. Кроме того, не
учитывается влияние инерционности двигателя на время срабатывания.
При другом методе определения времени срабатывания при
появлении командного сигнала через блок 12 осуществляется
процесс торможения электродвигателя 13 противовключением
последнего и его реверс. Инерционность испытуемой системы и
электродвигателя 13 приводит к возникновению колебательных
движений, амплитуда которых может служить мерой перебега
за начальный уровень настройки и, тем самым,' времени срабаЗначение этого перебега определяется по показываюшец^лографУ "
записано на пленку шлейфового оСГппг
проведения испытаний строят зависимость
телкнпй
' ' характеризующую инерционность измерили
Л ! ^ " ' ^ " " и ^ е с к о й системы. После введения поправгап^в
станка
инерционность исполнительных орт е р и ^ у ю Г к р и в а я
. . харакных п Е ^
ний
^^^
р
параме;ров. Ц е л ь проведения данпороговых критических зна^^Усилий), при которы
«-Аодит разрыва кинематической цепи и, следователь-
Р„с. 74. Определение суммарной дннамичсскои погрешности
Рис. 75. Изменения критического параметра
НО, не вносятся динамические дополнительные погрешности. Вторая задача испытаний состоит, в том, чтобы выбрать при уже
имеющемся отрыве наконечников надлежащие значения регулируемых характеристик (например, измерительных усилий).
Наконец, если разрыв кинематического замыкания при данных
условиях , работы автоматического контролируемого средства все ж е , существует,
то необходимо знать
абсолютную величину взаимного смещения соприкасающихся пар, а
затем уже решить, насколько эта величина существенна. Наиболее распространенным методом выявления отрыва являются
взаимная электрическая изоляция соприкасающихся пар и включение этих пар в общую электрическую цепь, подсоединенную к
регистрирующему устройству (триггеру, реле, шлейфовому осциллографу). В результате испытаний получают зависимость
(рис. 75) вида
где ркр —критический параметр; Р — измерительное усилие.
Недостатком этого метода является необходимость в порядке
подготовки к проведению эксперимента иногда значительного
видоизменения конструкции головок, что часто, вообще, осуществить крайне сложно. Кроме того, остается неизвестным действительное значение отрыва пар.
Большими возможностями обладает метод, предложенный
А. А. Шорпиковым. Корпус головки 4 (рис. 76) крепится неподвижно на кронштейне 5, расположенном отдельно от
платформы 1 вибростепда. На этом кронштейне укреплен плоский элемент 2, являющийся промежуточным телом между платформой / и испытуемым подвижным элементом (наконечником 5). На поверхности плоских пружин подвески элемента 2 и
"аконечника 3 наклеивают т е н з о п р е о б р а з о в а т е л и
7 и
у, СИГ»алы с которых в конечном итоге поступают на вход шлеиф^^^^^^^^^
осциллографа. При вибрировании платформы 1
осциллографе,записываются сигналы, пропорциональные срав
105
Рис. 76. Вибростенд для испытаиия
с тензопреобраэователяыя
I
Рис. 77. Виды полученных зависимостей:
1 — перемещевая плоского »леыевга 2 (см «.
те)^ г —перемсщевне измерительного нвкове,»
ниваемым перемещениям элементов пары 2—3. Разность в перемещение (рнс. 77), записанная осциллографом» позволяет определить как наличие самого отрыва, так и его величину и фазу.
Наличие упругих пластинчатых пружин подвесок н тензопреобразователей с малыми пределами измерений ограничивает область использования этого метода.
ГЛАВА
4
ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ
АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ
1. ОСНОВНЫЕ понятия И КЛАССИФИКАЦИЯ
Метод активного контроля воспроизводится средствами, встроенными в технологическое оборудование, а его результаты используются для непосредственного воздействия на технологический процесс с целью обеспечения заданного " качества
продукции. Устройство, основанное на методе активного контроля (УАК), позволяет осуществлять управление или регулирование производственного процесса, высвобождая оператора от
ручного выполнения этих функций. Осуществление высокопроизводительных и качественных операций во многих случаях
невозможно без применения УДК, корректирующих производственный процесс, позволяющих поддерживать на заданном уровне основные показатели выпускаемой продукции. Поэтому, в
противоположность активному контролю, контроль пассивный
имеет место тогда, когда результаты измерения параметра не
используются для непосредственного воздействия на технологический процесс.
Стратегической основой постоянной возможности, целесообразности и высокой эффективности использования метода активного контроля является опережающее увеличение точности
средства измерения по сравнению с точностью технологического
средства. Такой диалектический подход объясняется тем, что
без наличия средства измерения, значительно превосходящего
по точности средство изготовления, невозможно ответить на вопрос о преимуществе (например, в смысле точности) нового
средства изготовления по сравнению с прежними. Поэтому конструкторы и технологи вправе ожидать, что соединение средства
измерения с технологическим оборудованием приблизит точность получаемого изделия к точности средства контроля, да, к
тому же, и существенно поднимет производительность, поскольку современные автоматические средства контроля и управления
намного превосходят человеческие возможности.
Разновидностью активного контроля является контроль упРавляющий, направленный на обеспечение требуемого показателя качества выпускаемой продукции в процессе ее изготовле
«ия. Более широкими производственными возможностями
107
обладает адаптивный управляющий контроль, при котором,
?ома?и\ески изменяются параметры иастроики или стру'^^^
ГстроТтва контроля на основе информации, получаемой в о ^
мя управления технологическим процессом при изменяют,
у р о в н я х работы. Следовательно, при адаптивном контроле
ч ^ ^ параметров настройки изменяются в отличие от обычн1;
средств, Продолжительное время настроенных па задапное зн,
ч ^ и е параметра, определенное расчетным или опытным пут
Средства адаптивного управления являются более гибкими но
более сложными. Кроме того, часто ставится задача получать «е
только заданный показатель качества в определенных пределах
но и стремиться обеспечить его оптимальное значение. Следова'
тельно, оптимальный управляющий контроль— это контроль
при котором реализуется наилучший показатель качества по ви'
бранному критерию при заданных ограничениях на остальные
характеристики технологической системы.
Частным
случаем
адаптивного контроля является управляющий самонастраивающийся контроль, при котором изменяются параметры настройки средства контроля на основе информации, получаемой об изменяющихся условиях работы.
Идея создания средств контроля, автоматически реагнру.
ющих на изменяющиеся внешние и внутренние условия работы
оборудования и самого средства контроля и, обладающих большой точностью и стабильностью, неизбежно приводит к значительному усложнению средства контроля, созданию двух-, трехи в общем случае многоконтурных устройств разных рангов в
общей иерархии управления.
Сами устройства активного контроля можно классифицировать по обычной классификации средств измерения (прямое и
косвенное, контактные и бесконтактные, рычажные и безрычажные, дискретные и аналоговые), однако наиболее часто их подразделяют в зависимости от вида выполняемой функции и способа воздействия на исполнительные органы оборудования.
С этих позиций различают устройства управляющего контроля,
автоподналадчики, автоблокировщики и автоостановы.
Устройство управляющего контроля (автотолератор) автомагически изменяет течение технологического процесса при дот .«ТЛ
параметром качества предписанночеЕшю п г ^ ^
функциональному пазнаГес^ и
» течений технологического "Р";
компенсируя влияние не только
изменяющихся факторов (изнашивание режу"^;.
с?а
\
" температурные деформации детале
разряд
могут быть отнесен^ в
та и^^р^У'^'^^ь.х (нестабильность отжима режущгго инструм^"
108
Д л я автотолераторов временное запаздывание возникаюшее
вследствие р а з ~ моментов технологического п а ~ Г и
момента его контроля, минимально, и поэтому они обеспечи^ют
высокую точность. Автотолераторы. как правило, конструктивно
проще автоподналадчиков, поскольку для их функционирования
не нужны дополнительные средства ориентации, базирования
крепления и транспортировки изделия. Поэтому автотолераторы'
нашли широкое распространение в промышленности, в особенности для высокоточных операций.
К недостаткам, присущим автотолераторам, следует отнести
сложность введения чувствительных элементов в зону обработки или сборки, влияние на результаты контроля факторов, сопровождающих технологический процесс (наличие стружки, отличие температуры детали от нормальной, искажение контролируемых параметров под действием элементов загрязнения изделия и др.)'
Автоподналадчик —это контрольное устройство, автоматически изменяющее настройку технологической системы при отклонении контролируемого параметра качества изделия от предписанного значения. Тем самым, автоподналадчики, воздействуя
на органы наладки оборудования, могут осуществлять контроль
надлежащим образом подготовленных изделий вдали от рабочей зоны в стабильных (нормальных) условиях. Вместе с тем эти
свойства автоподналадчиков резко сужают область их возможного использования, поскольку эти устройства, как правило, намного сложнее автотолераторов, а иногда сложнее и дороже самого технологического оборудования. Кроме того, контролируя
изделие после его обработки автоподналадчик имеет большое
временное запаздывание, которое приводит обычно к тому, что
коррекция уровня настройки возможна лишь перед обработкой
следующего изделия. Таким образом подналадчик может компенсировать систематическую составляющую изменения контролируемого параметра и, бесполезен, если доля случайной составляющей велика.
Автоблокировщик —это контрольное устройство, предотвращающее попадание в зону обработки заготовок, свойства которых не удовлетворяют требуемым. В качестве контролируемых
свойств могут быть отклонения параметров, форма, конфигурация или расположение заготовок или частей оборудования и др.
Автоблокировщики, осуществляя контроль до технологического процесса, ие компенсируют, например, погрешностей обработки и не повышают ее точности. Однако они обладают известной профилактичностью, поскольку способствуют выпуску годных изделий или предотвращают выход из строя оборудования.
Функции автоблокировщика могут быть различны: он либ^ сни
мает некондиционную заготовку из общего потока, либо прекра
н^зет р1аб.оч.ий ятроц«сс.
109
Автоостанов-это контрольное устройство, обеспечиваю^.
поекр1шеиие технологического процесса при выходе контрол„^р^
еГого параметра качества уже готовых изделий за допусти"^;
г р а н и ц ы
Таким образом, если автотолератор и автоподналад"
К Г с оборудованием работают по ациклической системе Г
?омГтизации, то автоблокировщик и автоостановы прекращает
ци^'ически идущий процесс в случае каких-либо его отклонений!
2. УРОВНИ КОНТРОЛИРУЕМЫХ
ПАРАМЕТРОВ
При автоматическом контроле весьма важной является проблема надлежащего выбора ограниченного числа контролируемых параметров. В некоторой мере увеличение объема
используемой информации не приводит к значительному усилению средств контроля благодаря использованию микропроцессорной и вычислительной техники. Однако и в этом случае правильный выбор контролируемого параметра существенно влияет
на качество процесса контроля и на сложность и стоимость самого контрольного средства. В качестве наиболее часто выбираемых контролируемых параметров изделии выделяют следующие:
предельные их значения (например, линейного нлп углового размера), размах колебаний параметра (овальность, плавность хода), предельные значения разности двух параметров (конусность), размах разности двух параметров (соосность, взаимное
биение поверхностей), интегральное значение параметра (критерии оценки шероховатости поверхности). Следует различать
предписанные и действительные значения (функции) параметров отдельного изделия. Однако для наглядного представления
вводят понятия либо отклонений параметров от их номинальных
значений, либо уровней, отсчитываемых от произвольного начала
координат. К теоретическим предписанным параметрам отдельного изделия следует отнести номинальный х и предельные параметры дгта! И Хп,|„ (например, размеры по ГОСТ 25346-82),
а также оптимальный х„р1 и настроечный
параметры. За оптимальный параметр следует принимать тот, который в наибольшей степени отвечает функциональному назначению изделия, з
нг^строечныи —это тот параметр, к получению которого стремятся при настройке. При этом настроечный параметр у ч и т ы в а ет например, последующее изменение параметра готового издестабилизации некоторых его характеристик (послебежнп . п п ' " " " "
" температурных деформаций, неизбежно сопровождающих техно;,огическиП процесс).
" « « " О охарактеризовать иеде^ т в и т е ^ Г ^ " " ^ ^
параметров. Так, например, понятие
регламентировано ГОСТ
м4,^то п а п З ^
действительного контролируемый ра '
I
^'то параметр, входящий в функциональную цепи изде^!"»
Рис. 78. Размеры и уровни, являющиеся
функциями геометрической координаты
И подвергаемый контролю. Поскольку действительный параметр является всегда переменным, текущим, ;с(ф), т. е. функцией выбранной (чаще всего геометрической) координаты, то у реального изделия можно выявить действительный наибольший
^шахСф), наименьший д:ш1п(ф) и средний Хт(ф) параметры. Одлако оценку качества изделия проводят часто по одному из них,
по так называемому принятому параметру.
Значение действительного параметра изменяется и во времени (рис. 79), т. е. характеризуется переменным во времени
параметром х(1). Д л я определенного момента времени будет
иметь.место фиксированное мгновенное значение (состояния)
неременного во времени параметра. В результате осуществления технологического процесса получают рабочий настроечный
параметр Х5<(/), обусловленный действительным значением
принятого параметра.
Установление отклонений от
номинального параметра явля-,
ется частным по сравнению с
более общим понятием . положения уровней N параметра,
определяемых как заданная координата, отсчитываемая от заНра)
->
ранее обусловленного или произвольного начала отсчета.
В соответствии с принятым
делением понятий, относящих- Рис. 79. Размеры и уровнн, являюся к предписанным и реальным щиеся функциями времени
II
111
1
^ « « и МОЖНО выделить две группы уровней: к прп^ .
" ' ^ п ^ Т н С о о ^ е с т и уровень Л^ номинального параметра ^^^
Т Т
п р е ^ ь н ы х параметров, уровень
Щ
^ " ^ ё я н о ш ^^^^^^
уровень
оптимального па'раме^;
Ко второй группе понятий необходимо отнести поня/„'
уровней срабатывания Л^,сь(0. настройки N ^ 1 ) , уровни ста'?
К й
и динамической
настройки, т е. уро '
соответствующие настройке при осуществлении рабочего про.'
цесса в статическом и динамическом р е ж и м а х , а также уровни
действительных наибольшего Л^т.х(ф). м и м е н ь ш е г о Л^^, / V
среднего Л'г,((р) размероз (см. рис. 78). В соответствии с поня-'
тиями текущего и переменного во времени параметров следует
ввести понятия текущего N(ф) и переменного во времени
уровней.
Различают уровни, относящиеся к параметрам отдельного
изделия, уровни действительных наибольшего, наименьшего и
среднего параметров, текущего и переменного во времени параметров и др. Целый ряд уровней характеризует влияние параметров последовательности изготавливаемых изделий. Так, за
уровень срабатывания :сс(/) принимается математическое ожидание случайной величины параметра изделия, при которой выдается командный сигнал на изменение технологического процесса (см. рис. 79). Однако вследствие инерционности исполннтельных органов автоматической контрольной системы и перебега Дц1 значение действительного параметра изделия может существенно отличаться от того, при котором появляется команда
на изменение процесса. Следовательно, действительным уровнем
настройки дгв(0 называется математическое ожидание параметра изделия, полученного в очередном рабочем режиме. Перебег
системы
Да1(0=^с(0-д:н(0.
Однако при нормальных условиях, при которых и должно
контролироваться изделие, уровень окончательного параметра
может существенно отличаться (например, вследствие температурной стабилизации или снятия силовых деформаций) от действительного уровня настройки на величину
в р е ^ Г о ' '
(начальном^
ясно, что можно сочетать одно_
например, говорить о мгновенном
прекраадния
УР^^ия настройки в момент
"
ращения изготовления изделий (конца испытаний) и ДР-
Итак, при автоматическом контроле контролируемого и глг^пл.
вательно, выдерживаемого параметра, необмлимп г т п ! , ^ ^ ®
Гс^облюдению оптимального о / о н ч а т ^ и П ^ Г о " а Г м е т р "
3. КРИТЕРИИ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ
.
Рассмотрим определение точности обработки на припере соблюдения предписанной точности размеров
Увеличение точности при прежнем и новом методах (с при>
менением УАК) обработки можно выразить через коэффициент
Ау.т, определяемый как отношение общих диапазонов
рассейвания размеров деталей, обработанных на прежнем н усовеошенствованном оборудовании, т. е.
^
^
При этом необходимо учитывать не только рассеивание размеров за период испытания, который обычно выбирают как время между двумя поднастройками (подналадками) оборудования, но и погрешность самой настройки на определенный, наперед заданный размер Хя (рис. 80).
Следовательно, диапазон общего рассеивания какой-либо системы за период от и до
можно определить в общем виде:
•
(Ошах-
+
[Г
+
+ А„(/о).
дг»
л л г
Рис. 80. Изменение контролируемых параметров при спределеяни
коэффициентов увеличения точности
Ш
V
РЛЛ« АУНКПИЯ / ( О В исследуемом интерпале / О - / , ИМЕЕТ,
в частном стучае д л я монотонной функц^^^А
неслучайная функция времени, характеризующая,,
Гон измененпя математического ожидания случайной вели, ?
Полученная в результате аппроксимации этого изменения 7
пример, с помощью способа наименьших квадратов; ^ / Г
диапазон мгновенного рассеиваипя. вычисленный, напримеп^
тем определения наперед заданного соотношения в еди^ц;.
среднего квадратнческого отклонения мгновенного рассеивания.
Лв(/о)—погрешность настройки; /о; /х — в р е м я начала икону
испытаний.
Следовательно, коэффициент увеличения точности обработщ
\г ( Ы -
-ь К
+ ^Р
+ ^п (^о)
I
Итак, ^ т в общем случае является переменной велияиноб,
изменяющекя от значения /гу.т('о) до ^у.т(^п), где /ц—вреу!
прекращения испытания. Время прекращения испытания с цель»
увеличения надежности вычисления коэффициента кул следует
увеличивать. Но при сравнении двух диапазонов рассеиванУ!
это время в обоих случаях должно быть одинаковым.
Однако если при внедрении нового средства можно предположить, что размеры обработанных деталей не будут выходить
в течение длительного времени (п за некоторые предписанные
границы Хни и Хпб, то при прежнем методе обработки вследстви
более резкого смещения центра группирования или увелйч^
нпя мгновенного рассеивания размеров обработанных деталей
уже по истечении времени
появляется опасность выхода эш
размеров за установленные границы, например границы поля
допуска. Так как чаще всего в рабочих условиях вследствие высокой стоимости деталей или их дефицитности такой переход недопустим, в момент
проводится поднастройка оборудования,
которое работает без вмешательства оператора до момента ^
В момент /а проводят новую поднастройку и т. д. Поэтому Р^
определения увеличения точности можно идти двумя путями: внчислить коэффициент уве.7ичения точности д л я минимально во •
л п т Т ' ^ / Г ' ' ' ™ испытания и (регрессивный) или же вычи;
лить коэффициент увеличения точности-для максимальное
толТ^'!®''"''®""
испытания (прогрессивный) по одному из ^
В частнп^тТ" "^Р^^^-^^ивного развития функций Г ( / ) и Ф
РывнойТпиН./''^^^^^
функция Р ( / ) является иепР^
Гнорма ь Й ^ р Р ' " ^
^ ФУ^^ия
, кроме того, %
1•<
1/1.
Начальный коэффициент увеличения точности
регрессивный коэффициент увеличения точности
прогрессивный коэффициент увеличения точности
средний коэффициент увеличения точности
Если в качестве аппроксимирующей функции для
рают прямолинейную зависимость, то
= Ьи
выби-
При нормальном законе распределения случайных величин
для мгновенного рассеивания можно принять бр(^о)==2 и
бр(/п)=2. Если в результате проведенных испытаний настройки
на заданный размер установлено, что рассеивание неточностей
настройки т а к ж е подчиняется закону нормального распределения, то Лн(^о) »4ан.пВвиду того, что оборудование с автотолераторами применяется в основном для обработки деталей высоких квалитетов точности (1Т5—1Т7), для регрессивного коэффициента
точность обработки увеличивается минимум на квалитет, а если, кроме того, выдержано условие
то внедрение автотолератора приводит и к увеличению производитель1ЮСТИ за счет сокращения числа поднастроек. Если 1<^у.т(^1)<
< 1 , 6 , то внедрение нового средства контроля обычно приводит
к уменьшению брака.
Для определения значений статистических характеристик,
входящих в выражение (31), можно использовать аппарат теории случайных функций.
4. ПУТИ УПРАВЛЕНИЯ ТОЧНОСТЬЮ ОБРАБОТКИ
Место устройства активного контроля (^АЮ, его^^^^
"енный цикл, методы структурного анализа и другие характери
с общих позиций позволяют оценир
системн^^^^
'анализа (табл. 3), широко применяемые в настоящее время
"технике [131.
^ ^
115
Т|б
Системный анализ - синтез те»ологияеской системы с УАК
яалнз
иерархия
Суперсистема
Технологическое оборудование
Система
Устройство управляющего
Подсистемы
Головка, усилитель, исполнвтел»
устройство и др.
"
Внешняя среда
Воздух (температура, влажность)
Соседнее оборудование (вабращц,
др.)
коитрод,
я кпро*
анализ
Органы технологической системы
(технологические параметры)
Внутреннее содержание
Органы
устройства
контроля
управляющв;
I. Научно-нсследовательскнй этап:
Технологическая система без УАК
выбор аналога
выбор целевой функ- Повышение точности и производнтеи
ция
ности обработки
выбор днсциплиниру Стоимость, надежность, техничеси
рующях условий
возможности использования
Аиалвз
жнэяснного
цикла
2. Опытно-конструкторский »тап:
проектирование
единичное
ние
Разработка конструкций УАК
изготовле- Опытные образцы УАК
испытания
Лабораторные и заводские
серийное изготовление Промышленные образцы УАК
Производственный
этап
116
N
Заводская эксплуатация
Ияформааяояный
анализ
(система
упорядоченная)
Вход
Заготовка, энергия, вспомогательные
материалы, окружающая среда
Процесс
Технологическая операция
Выход
1
Структурный синтез
Готовое изделие с показателями качества
Расчленение системы
Установление количественного и качественного состава подсистем
Выбор взаимосвязей
Установление структуры подсистем
Математическое описание Установление функциональных связей
Выбор УАК
Расчет оптимального варианта
-
Повышение качества изделий машиностроения может осуществляться несколькими путями. Пути увеличения точности обработки могут быть установлены на основе анализа факторов,
ее определяющих, например так, как это приведено на рис. 81.
Не рассматривая подробно другие традиционные направления
улучшения качественных показателей всей технологической системы, широко известные из многочисленных трудов, проанализируем возможности улучшения точности обработки с помощью
автоматических средств контроля. Существенным преимуществом этого метода во многих случаях является возможность компенсации негативного влияния различных факторов более экономичными средствами, по сравнению с такими, как увеличение
жесткости технологической системы, обработка на режимах с
меньшей производительностью, обработка при большем числе
проходов, использование ручных методов компенсации износа
режущего инструмента, поддержание требуемой жесткости
станка и точности его элементов путем периодических ремонтов
^ т. п. Последние методы связаны либо с потерей цикловои производительности, либо со значительными непроизводительными
затратами.
Следовательно, традиционными путями
ных показателей точности размеров, формы "оверхности вза^^
ймного расположения поверхностей, шероховатости поверхн^^^^^^^^
« других показателей изготовляемых деталей является либо ста
117
' А,формации техяалешш» систыы от дм резача
ж
31
21
Парешиасти настроили
Изнашибание р^ца^кы ихтрцмеитд
^ерор'^ации заготоОол ет зоминмыя еия
'Пйгр*тност1 ызготЛчния режущею иишрументд
дефор^пцш/ тжнотическои системы
- МП
Остаточные напрлтемия в заготовках
№
Квйг&лп/я ррвпцскоб на зоготойпех а пр.
Ггометрический росреш/тсти в станке
ВиВроци/» теккояогическои системы
Игпптс^мстВв скорости сьема припуска
Пв грешности срабатывания
Погрешности коррекции
Погрешности акгоритма
ТХ'кеизм(пк,тся
сзаЩ-уменшается и-6озрастает
иех) от
Уменьшение самих отклонении ("
можность'^у2™ьшен"я
этой системы. Другая
точность 0 б п а б 0 « „ Л ®°'«йствия перечисленных факторов«'
^ 18
1. Непостоянство подач. скоапгтпГ, -Г"—'
X Погрешности устана9но,настрой^и и др.
.
1
Заго/побна
•
Г^онетрий.
Температура.
Твердасть. Ш1)
исташиуные
иапрлтемия
идр'
I
4
Количество 11,(1}
Технояогическая
система
Вспомогательные
Параметры Ш)
СОЖ и др.
Ок^)кан)(цай
Температура.
Влажность.
ВиЪрация и др^
материалы
Стоимость
Качественные
показатепи хз{Ь)
Напряжение. Ш
Частота.
Давление и др.
Энергия
Выход
IIи
а
I
I
Образцы^ Исполнительное
настройка
устройство.
мл
I
//
Измерительное
устройство
1
чп
Рис. 82. Возможные пути управления качеством получаемых изделий
5. АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ПОЯВЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕП
ОБРАБОТКИ ПРИ АКТИВНОМ КОНТРОЛЕ
Д л я определения ожидаемой точности активного контроля целесообразно рассмотреть погрешности системы в целом,
причем в первую очередь погрешности, возникающие при нормальных условиях работы.
^^
Под н о р м а л ь н ы й условиями работы
Т^^'пр»
купность физико-химических параметров окруждющеи с ^ пр^
которой влияние внешних неблагоприятных в о з д ^
минимально (незначительно). ПреД^л" "зменен^^^^^
о из параметров, характеризующих
и
^
являются их основными характеристиками.
^^^
„пп«я1ьных условий вызывает появление дополнит|
нормальных У
значительно снизить т о ч ^ Ц »
К
с и с т р ы и исказить ее качес^^^Ьо^^
"'^пХешности устройств активного контроля можно
фицировать в зависимости от следующих факторов; форУ
К г о выражения (абсолютные, относительные); з а 1 о Ь
аТпроявлеиия (систематические, случайные);
устройства (статические, динамические): воздействия о »
ю щ е й
(собственные, привходящие); способа выяЙ
(поэлементные, суммарные); последовательности (причины^
ннкиовения (методические, инструментальные, настройки
плуатационные).
Критерием точности работы станка, оснащенного УАК^^-^
ется суммарная погрешность обработки. Однако при исаедз!;!
ниях и расчетах возникает задача выявления ее составляюсг;'
погрешностей и их удельного веса в комплексной погрешяосп!
Источниками поэлементных методических погрешностей, ваа'
ваемых несовершенством метода измерения, могут являши*
соблюдение основных принципов построения схем головок ус.1
ройств, например принщша Аббе, неправильный выбор разуг;!
ной цепи и измерительной (суммирующей) схемы, применЦ
косвенных измерений, контроль изделия в одном сечения (е
учета погрешностей формы), контроль без учета температ);.
детали, контроль без учета деформации детали и др.
Отступления от теоретических схем. позволяющие полу®
наивысшую точность, диктуются стремлением к возможному}!
рощению устройства в целом и его отдельных элементов, умг&
шению массы или размеров, удобством эксплуатации итд
Источниками возникновения поэлементных инструментам
ных погрешностей, т. е. погрешностей, вызываемых неточнос^й
изготовления и сборки или несовершенством к о н с т р у к т и в
элементов устройства, могут быть неточности элементов оа»
ровання и крепления детали, неточности выполнения кинелз!»
ческой системы (передаточных и суммирующих механизм
штоков, рычагов, непропорциональность перемещения звен^
наличия зазоров в опорах и т. п.). погрешности первичного^,
образователя. погрешности вторичного преобразователя
^
реле), погрешности исполнительного мех^
погрешностей препятствует^
матеГа^"^^^^
изготовления узлов и о т с Л
хараКс.'
свойствами, обладающих иде
К п о э л е "
значительнее удорожание к о н ^ , ,
привн^"""" ^
настройки, т. е. погр^ >
средства
настройки или применения обра^
погрешности изготовления этого
^прибора сравнения, образца, набора плиток и т. п)с
р
е
д
ы
изнашивание н неточность аттестации, погрешности регулиоовкп
элементов н а с т р о и к и и погрешности отсчета (при оГреГе^ени
Погрешности н а с т р о й к и по шкале образцового и?и П ы т ^ Х о
^ / б о р а ) . Э т и погреш^^^^^^^^ предопределяются с л о ж н о с т ь "
полнения о б р а з ц о в о г о средства с пренебрежимо малыми погрешностями, с л о ж н о с т ь ю его аттестации, несовершенством коиструкции э л е м е н т о в настроики и квалификацией оператора
Группа эксплуатационных погрешностей, возникающих в результате эксплуатации устройства при нормальных условиях работы, является наиболее многочисленной. Источниками возникновения поэлементных эксплуатационных погрешностей могут
быть:
отличие у с л о в и и эксплуатации от оптимальных —непостоянство т е м п е р а т у р н о г о р е ж и м а (температуры помещений, о х л а ж дающей ж и д к о с т и , подаваемых и сходящих деталей), влажности, а т м о с ф е р н о г о д а в л е н и я , наличие загрязнений, недостаточное время п р о г р е в а электросхемы, наличие посторонних источников в и б р а ц и и и д р у г и х помех:
и з н а ш и в а н и е наконечников, подвижных частей деталей передаточных и с у м м и р у ю щ и х механизмов, штоков, рычагов, подвижных ч а с т е й п р е о б р а з о в а т е л е й , электрических контактов,
элементов п о д в е с о к и крепления устройства, базирующих элементов, п о д в и ж н ы х частей исполнительных механизмов и т. п.;
н е п о с т о я н с т в о х а р а к т е р и с т и к материалов и отдельных узлов
во времени ( н а п р и м е р , изменения характеристик вследствие
«старения» п о л у п р о в о д н и к о в и д р . ) ;
н е п о с т о я н с т в о и з м е р и т е л ь н о г о усилия во времени вследствие
гистерезиса п р у ж и н и ферромагнитных материалов, упругого
последействия, н е п о с т о я н с т в а с и л д р е н и я , несбалансированности о т д е л ь н ы х д е т а л е й устройств, динамических нагрузок
и т. д . ;
н е п о с т о я н с т в о т е х н о л о г и ч е с к и х характеристик оборудования
(колебание с к о р о с т е й р е з а н и я и подач, затупление режущего
инструмента, н е п о с т о я н с т в о продолжительности элементов цикла
и т. п . ) ;
..
,
. н е п о с т о я н с т в о с в о й с т в контролируемых деталей (значения
Припуска, п о г р е ш н о с т е й формы, шероховатости поверхности, состава м а т е р и а л а , т в е р д о с т и ' и т. п . ) , приводящего, например,
? и з м е н е н и ю г л у б и н ы «врезания» наконечника в тело изделия,
5 н е п о с т о я н с т в о х а р а к т е р и с т и к источников питания ("^пряже«ия, частоты. д а в л е н и я и т. п . ) , кроме того, возможно появл
грубых о т к л о н е н и й о т нормального процесса и з м е р е н и я в виде,
"опадания п о д н а к о н е ч н и к и большого числа крупных частиц ао
Разина, м е т а л л а , з а г р я з н е н и й , появление заедании, поломок,
возникновения р а з г е р м е т и з а ц и и корпуса и т. п.
' У м е н ь ш е н и ю в л и т и я этих погрешностей п р е " " ^
с о б л ю д е н и я многочисленных и жестких требовании к пара^
метоам окружающей среды, технологической системе вг,
кам питания, большая продолжительность между
ремонта, поверок, а иногда недостаточная квалификацвя р®"»
чего.
Суммарная погрешность обработки может быть опре,^.
установлением математических зависимостей погрешно^Гй
факторов, их определяющих, и вычислением отдельных с м ^
ляющих. При этом целесообразно ограничить вычисление т
марной погрешности определением основных составляюшй
Многие из этих погрешностей при рассмотрении конкретно!
устройства оказывают незначительное влияние на комплекс^
погрешность обработки, кроме того, в каждом конкретном т
чае может быть свой комплекс доминирующих погрешносте?
Суммарная погрешность
л
/-1
где Дх1 (Ооб —погрешность образца; АдгаСОплж —погрешнот
от изменення взаимного положения детали и измерительной головки вследствие неточностей узлов базирования, подвески, Й
изменения деформаций под действием сил резания, воздействя»
температурных факторов и т. п.; Адгз(0
И.11.Спогрешность, прявносимая неточностями изготовления и изнашиванием деталей
и сопряжения всей измерительно-преобразующей системы УАК;
(Ои —погрешность настройки, возникающая вследствие неправильного определения требуемого
уровня настройки;
(О —температурная погрешность детали и измерите-инс!
головки; Лдгв(<)деф —погрешность, вызванная деформацией контролируемого изделия и элементов головки под действием р.лий; ;1г7(/)фор —погрешность размера, возникающая вследствяе
П01решгюстеи формы изделия; Длга(Один - динамическая погреш|шсть, ДГз!/) я. с ~ погрешность измерительного вторичного средства, с помощью которого контролируется точность УАК:
^чЖон
вызванная изменением параметров иссствие
? впосторонних
и Г п п наводок
г . п и- помех,
погрешность,
возникающая всл№
и др
кретного ГПГУ^^^^
быть для каждого ко^
составл^Ги!
"«^разделены на отдельные дополните.1ьн«е
нос?н
стро^ГпПетоп1
образцов"Гбо'л?1
составляющих суммарной погре^;
ДО минимума применением й»
соотв'етств/ющим р а ^
„„чноают размерную погрешность обработки изделий но и ш
можно уменьшить конструктивными I техГлогическими
приемами.
6. РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ УАК
На статическую точность оказывают влияние изиашиванне наконечников, погрешности положения измерительной го;10ВКИ относительно поверхности контролируемой детали, темлературные и силовые деформации и др. Расчет этих погрешностей и выбор надлежащих конструктивных элементов подробно
рассмотрены в работе [2]. Поэтому в настоящем параграфе ограничимся лишь рассмотрением специфических погрешностей,
возникающих в устройствах для контроля в процессе обработки
при отклонениях формы деталей.
Погрешности формы поверхности обрабатываемых изделий,
лежащих в плоскости измерения, не только оказывают влияние
на статическую точность обработки в виде колебания разности
между наибольшим и наименьшим размерами изделий, но и могут вызвать дополнительные погрешности при неправильном выборе принятого размера настройки вследствие совместного действия изменяющегося во времени текущего размера и процесса
резания. При этом с точки зрения проявления погрешностей формы контролируемого сечения следует рассмотреть два случая:
случай прерывистого измерения, например при обработке изделия на «проход» (обработка данных валов по диаметру на токарных или шлифовальных станках, внутреннее шлифование отверстий колец, плоское шлифование и т. п.), и случай непрерывного измерения, имеющий место при длительном контроле размера, например при процессах «на врезание».
Рассмотрим влияние погрешности формы (отклонения от
Круглости, плоскостности и т. п.) на статическую точность при
дискретном измерении размеров (рис. 83) для случая обработки
внутренних поверхностей. Пусть начальный размер заготовки
совпадает с линией О1О1, а требуемый размер изготовления и
•размер настройки совпадают с линией О2О2. Следовательно, положение линий О1О, и О2О2 определяет значение припуска на
обработку В.
^ Пусть в некоторый момент времени и головка автотолератора
осуществляет контроль размера изделия х/. Этот размер вследствие наличия погрешностей формы в плоскости
н е
является постоянным и в первом приближении будет
'зоваться изменяющимся, например синусоидальным, сигналом с
•амплитудой Л/ и периодом Го, причем
и
з
м
е
р
е
н
и
я
Ркс. 83. Графяк изменения размеров при дискретном измерении
Период То определяется видом погрешности формы и смр ^ т ь ю перемещения детали в плоскости измерения. Так юг
осуществляется контроль двухточечным устройством диаметра
имеющей частоту вращения л, и основовальность, то
изделия, имеющего г граней, период Т ^ = . п / г
ково ТЬа И ^ У г " " ^
^^^ различных видов устройств неодинакалибрами.пробками, осуществляющих в;
ся з н ^
пп " п Г с изделием, время контроля /„з„ определя •
дов в м ^ ^
инструмента%исломдвойных^^
"меется некоторое в п е м Л п п ; ^ ^ '
"Р" ° ^
моцнй н э д е л и Г н Т а л и й п , ? ' ^ Фиксироваться без у ч " ' Д ' ^ .
"•Р. и с этой
,
принятый его наименьший у
Р»-пробк„, Д о л ж Г о т о я т ь Т Г
124
"Тстоять от наименьшего предельного р а з "
ПОЛЯ
допуска изделия на величину Лд. Тогда поле допуска
должно быть не менее значения
^
где Л д - а м п л и т у д а погрешности в конце обработки; Л д - и з м е нение размера между двумя циклами измерения в конце обработкн, равное удвоенной толщине слоя, снимаемого за один
двойной ход.
Пусть проводится контроль внутренних изделий с помощью
устройств, осуществляющих с ними точечный периодический
контакт. Без учета динамических погрешностей, т. е. при работе
в квазистатическом режиме, устройство будет фиксировать как
принятый размер наибольший размер изделия х^и, а линия настройки должна отстоять от наибольшего предельного размера
на величину Лд. При этом поле допуска определяется из условия (32).
Время измерения Гизм в подобных устройствах должно быть
таким, чтобы при контроле через измерительные наконечники
прошли все точки контролируемого изделия, т. е. необходимо выдержать условие ^иэм>60/л, где л —частота вращения изделия
в минуту. Перед началом измерения наконечники К должны
быть разведены на величину Е, несколько превышающую припуск В. Однако следует отметить, что ход наконечников Я! не
будет возрастать до тех пор, пока не достигнет значения Яд.нб.
Следовательно, цикл работы измерительного органа
х.х>
где Я д л 1 б « В + Я — х о д наконечников при арретировании в конце обработки; Уср —средняя скорость арретирования наконечников.
В некоторых устройствах головка во время процесса измерения с целью уменьшения изнашивания наконечников вращается вместе с деталью, тем самым осуществляя контроль произвольного размера в пределах от Хнм< ДО Хпы- Однако такой метод
приводит к снижению точности контроля, так как допуск в этом
случае будет
Следовательно, устройства, осуществляющие контроль одно''о случайного размера, снижают точность обработки.
Рассмотрим случай непрерывного контроля изменяющегося
внутреннего размера с учетом погрешностей формы, представленный на рис. 84. Пусть линия настройки совпадает с прямой
О2О2, а линия 0 . 0 , характеризует припуск В; съ^м металла
происходит по линии СС, т. е. может производиться не с посто^
««ной скоростью; в начале процесса и з м е р е н и я эта скорость ха
Рактеризуется углом ао. а в конце цикла обработки-углом ад.
125
Р и с 84. График нзыенения размера при непрерывном из*
ыереняи
При наличии погрешности формы измерительная система буд?!
вырабатывать переменный, в первом приближении близкий!
синусоидальному, сигнал с изменяющейся амплитудой Л/, непостоянным периодом То. Этот период зависит от частоты вр
щения или скорости перемещения изделия и вида погрешиосп
формы. Изменяющийся размер можно представить в общем вг
как
где Ха —размер, характеризующий заданный уровень иастроГвд
5 —припуск; /•(/)—неслучайная функция времени, т. е. мате
магическое ожидание, описывающее вид линии СС и получен
ное. например, с помощью способа наименьших квадратов;
/ ( О — центрированная случайная функция времени.
Для медленно изменяющихся процессов, т, е. для квазистатнческих режимов, срабатывание исполнительного элемента устройства произойдет при первом ж е пересечении линией размера уровня настройки О2О2. после чего подача будет выключена
а средний размер изделия останется в дальнейшем неизменн^^
-
ра^тър
Н ДЙЛППСПШ^»"
—-
(сплошная синусоидальная линия). Однако срабатывания
полнительного устройства, прекращающего подачу в
10Й(в точке О), может и не произойти. Тогда срабатывание произ
ЛРТ вй млкаи*
4 ' следующего пересечения^ линии переменного
гтапРМеН
дет
момент /о'
...смуд^щси пересечении
" Г Г пазМ^?
размера с уровнем 0^0% (точка О , ' ) . Однако средни ^^^^
^с'сро изделия (штриховая синусоидальная
разиос^^
мент будет уже отличным от ХСРО* П р и это
далирУ',
—Хсро будет зависеть не только от ^""•""^У^птки
ющей'погрешности формы Лд в конце цикла обраоот .
скорости резания в этот момент, т. е. от размера
дда
На основании, например, графоаналитического м
^^^р^дка
ко определить, что разность х'сро —*сро может оыть
« п/»
. /2 и д а ж е несколько превышать это значение. Следовательно
рассеивания размеров для подобного о а ? с а Г в т о !
лераторов
^
Диапазон
лишь для весьма мал^ых подач в конце цикла обработки зна^
чение допуска может быть Гх«2Лд.
, . ^
Применяемые в настоящее время измерительно-управляющие
устройства д л я контроля размеров деталей в процессе обработки
;ают информацию о текущем размере детали, как правило в
ее одном поперечном сечении. При наличии погрешностей формы
и неопределенности или нестабильности этих погрешностей как
по величине, так н по геометрической форме размеры отдельных
сечений деталей могут выходить за границы поля допуска. Поскольку в большинстве практических случаев допуск погрешности формы на чертеже не оговаривается, то она может принимать
любое значение и вид в пределах поля допуска на размер. Если
контролируемым сечением является среднее сечение 1—1 по длине детали, а УАК настроено на середину поля допуска (рис.85),
то изменение погрешности формы от вогнутости (контур 1) до
выпуклости (контур 2) может привести к выходу размеров крайних сечений деталей на значение допуска Т соответственно в
плюс или минус. Поэтому разброс размеров этих сечений может
составить 2Т д а ж е при абсолютно точной выдаче окончательной
команды УАК. Расположение контролируемого сечения в положении II—II устраняет влияние выпуклости и вогнутости детали,
но в данном случае опасным является появление прямой (контур 3) или.обратной (контур 4) конусности. , ,
. Д л я увеличения точности и надежности обработки был предложен способ расположения опорных наконечников измерительной головки, при котором (рис. 86) имеются два жестко связанных между собой опорных наконечника и располагаются они по
краям обрабатываемой детали, а измерительный наконечник —
в ее среднем сечении. Такое расположение наконечников усредняет размер обрабатываемой детали по длине и таким образом
способствует введению контура изделия в поле допуска на размер в нужном направлении.
7. РАСЧЕТ ДИНЛМИЧЕСКОИ ТОЧНОСТИ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЯЮЩЕГО КОНТРОЛЯ РАЗМЕРОВ
При управляющем контроле вхадные сигналы, пред^^^^
Ределяемые изменяющимися размерами, представляют собой по
существу случайные функции времени. Тем самым множес^^^^
ьсех полезных входн^^^ сигналов,. воспринимаемых
^^^по рассматривать как совокупность реализации
' " ^ е
^Учайпой функции. При анализе точности системы полезные
Рис. 85. Типовые погрешности формы
цяляядряческих деталей в плоскости,
проходящей через ось
Рис. 86. Схема четырехточечной ск
ловки
сигналы будем считать определенными функциями времени, щ
которые накладываются С1учайные ошибки измерения. Поэтому
математические ожидания входных случайных функций пред.
ставляют собой полезные входные сигналы при условии надлежащего выбора измерительной схемы, свободной от систематических (чаще всего методических) погрешностей. Случайные
колебания (флуктуации) входных сигналов около их математнческого ожидания будут нарушать нормальную работу и приводить к случайным погрешностям на выходе системы. Следовательно, задачу исследования точности системы в ее совокупности можно считать решенной, если определены математическое ожидание /л„, дисперсия Ву и корреляционная функция
П ее выходной переменной.
Общая структурная схема системы. Особенностью систеин
управляющего контроля является то, что она представляет собой устройство однократного действия и содержит как линейные
элементы, так и элементы с существенными нелинейностями, причем все элементы, как правило, соединены последовательно. Поэтому наиболее общий случай будет при рассмотрении система,
содержащей обе группы элементов. Частным случаем подобных
Рк/пп^?
устройство непрерывного действия с наличиэлементов, например д л я компенсации по"Ри точении. Анализ т о ч н о с т и поЛоуг» о ! "
представляет особых затруднений.
т)аз5еппГ1п
системы управляющего контро^^
в р о к о н ^
релейный элемент котор°
системы
преобразователь) расположен на вых^
Устройства с электрокоитактн^
причин'(недоста^
прерывными пГеобразо^атт^^^^
128
вытесняются системами,све
Общие методы анализа точности систрмм лт,.,
которой изображена на рис. 87, будут п м ^ м ^ ^ ^ ^ Р " ' '
р йс?в. содержащих релейный э ^ е м е Т н а Гходе Рас ^о^'пим^п.'"
Ьую структурную схему системы у п р а в л я е т
^о^бнее.'входной сигнал, например ^ ^ ю Г и ^ / р Г м ^ е р ' '
Т
I , зоны обработки поступает с некоторым 1поздГн„ем
д е л я е м ы м постоянной т,. в зону контроля. Этот сигнал в о с Х „имается преобразователем, представляющим чаще всегГколе;
бательное или апериодическое звено (с передаточной функиней
второго порядка), через усилитель с коэффициентом уси^лен^ш к,
„а триггер н его исполнительное реле с постоянной времени запаздывания Т2. На этом заканчивается прохождение сигнала через собственно устройство управляющего контроля. Затем сигнал поступает в воспринимающее реле-усилитель с постоянной
времени станка и на его исполнительный элемент.
Вследствие ряда существенных преимуществ и особенностей
отвода режущего инструмента от обрабатываемой поверхности
исполнительный элемент станка обычно представляет собой гидравлический двигатель, который может быть приближенно идеализирован в виде последовательного соединения запаздывающего звена, нелинейного звена типа ограничителя с зоной нечувствительности однонаправленного действия, интегрирующего
звена и нелинейного типа ограничителя с зоной нечувствительности однонаправленного действия, интегрирующего звена и нелинейного звена с ограничением перемещений однонаправленного действия. В связи с особенностями структурной схемы системы, систематическая составляющая погрешности будет возникать вследствие запаздывания прохождения сигнала через ее
элементы, а случайная составляющая — вследствие различного
рода флуктуаций и помех.
у
Х>0} У'Оо ..
Триггер
е-т^гР
Деталь
к,
Тио
к!
Усшитель ^
ПреоБра гователь
X
Ус
' реле-уси/гитель
Реле
Хвых(^)
4
М
У
У
Золотник
Поршень
<•0
Оо
87. Структурная схема системы управляющего контроля
^185
129
1,
Определение суммарной погрешности системы. Если „а
л й н Х о й части системы подается сигнал с математическим^
даниемвида
который состоит нз математического ожидания полезной част,
с ^ а л а т , ( / ) и математического ожидания помехи
стематическая погрешность системы
г
(О - А [т, Ц)+л,
^^^^
где т , ( О — т р е б у е м о е значение сигнала на выходе; Л-зада,
иая операция, которую совершает система над входными свгна.
лами.
Сигнал на выходе системы
(34)
Пусть уровень настройки изменяется во времени по закону
дГя(/). Тогда момент появления сигнала /01 Для какой-либо конкретной обрабатываемой детали, вызывающей возникновение
сигнала вида
может быть определен решением уравнения
) - '"у / (^оО - Пу1 (/01) == О
(35)
при условии, что корень этого уравнения ( | / о | | ='о1п1п) является
наименьшим из всех возможных. Следовательно, систематическая погрешность
е,/ ( ' 0 1 ) = ( ^ 0 1 ) + ( ^ о О - "41 (^01)=
мы:Определим суммарную систематическую погрешность систе-
У-1
^п^п^т
определение вида ожидания п о Д
1ве.
« »<зком-то /-М звене; в - - ^
дПд1
п р п " ' " " ' " - " ^ и с л о источников помех (погрешност
^го звена; г - ч и с л о коорД«
- д а (35) я в л ^
дет являться
погрешность г{1) так»^ ^
ляться фупкциеи времени. Случайная с о с т а в л я ю ш а н » »
жет быть найдена на основании вы«„л
функции выходного сигнала с и с т е ^ ы Г " ' " ™ ®
5
"оРРеляционной
I
(37)
/-1
где / — ч и с л о источников случайных составляющих помехчнсло попарно корреляционно связанных параметров; /' — рядом
лежащее число попарно'корреляционно связанных параметров
В выражении (37) содержатся слагаемые в виде корреляционных функций всех случайных функций и все возможные их
взаимные корреляционные функции, приведенные к выходному
звену. В частном случае некоррелированных слагаемых формула
(37) может быть представлена в более простом виде:
•
(38)
откуда значение дисперсии
/-1 «-1
Таким образом, для исследования точности всей системы
в целом необходимо знать случайные функции составляющих
погрешностей, место их проявления и взаимные корреляционные
функции, а т а к ж е и передаточные функции звеньев системы.
Формулы (35) —(37) справедливы лишь в том случае, если система автоматического управления линейна либо является системой (как это и имеет место при управляющем контроле размеров) однократного действия в том смысле, что ее нелинейные
элементы срабатывают один раз и для нового их срабатывания
необходимо повторение процесса. В противном случае при наличии в системе элементов с существенными нелинейностями уравнения для математических ожиданий переменных не совпадают
с уравнениями, описывающими поведение системы, и не могу!^
быть решены отдельно от уравнений, определяющих случайные
отклонения переменных от их математических ожидании^
Точность релейной части системы. Релейная ^ а с т ь ^ и ^
может состоять из одного или (с ц е л ь ю усилени ^
„„«„оитп
•последовательно соединенных реле. Цепь
^ я анализа точности системы целесообразно
в
^
Авух последовательно соединенных устройств, одно из которых
. . .^шественно нелинейную одноступенчатую характер„.
имеет
собой звено с чистым запаздывай^
ступенчатой х а р а к т е р ^ ^ ^
Пля э Г о г о С ж н о , например, воспользоваться теорией стати^
Для этого мож ,
г
учетом того, что рассматривали,
г Г с ^ е ^ ГноГрГно^
Поэтому анализ точно'с"тГ$
0е?ем с учетом усиления релейным звеном лишь системат,Г,
с к о й и случайной составляющих входного сигнала и при внес,
НИИ дополнительных погрешностей самим релейным элементов
Таким образом, для определения выходного полезного сигнала
и погрешностей необходимо знать одномерную плотность веро.
ятности входной спучайной функции нелинейного звена.
Закон распределения входной переменной нелинейного звен}
может быть принят нормальным, т а к к а к изменение формы закона распределения в широких пределах не оказывает сущест.
венного влияния на выходной полезный сигнал, тем более что
инерционные звенья системы при любом з а к о н е распределения
входной переменной обусловливают нормальный закон распределения выходной переменной.
Если известна систематическая погрешность преобразователя, то систематическую погрешность после прохождения сигнала
еп(0 через релейный элемент найдем на основании (36):
Л"
1ш1
где г т ( 0 - математическое ожидание момента п о я в л е н и я
ходного сигнала Ш релейного элемента в первом п р и б л и »
для релейных элементов п ц ( П = 0 ; /гр, - передаточное ОТНОШУ
ние |'-го релейного элемента.
„мпажеСлучайная составляющая выходного сигнала [см. выр^^
ние (39}]
лг
' '
где
— дисперсия входного сигнала релейного
учетом дополнительного рассеивания моментов срабатыв
внесенного преобразователем.
реЭлементы с ч и а ы м запаздыванием будут вызывать
'„
ние дополнительной составляющей систематической погреШ!
е:„(0, т. е.
м
где Л1 —число звеньев с чистим запаздыванием; т{ —
ная времени 1-го звена с чистим запаздыванием.
_ в большинстве систем управляющего контппла г,,,. •
„ ^ е срабатывания первого р'еле вы^Ти команды к о н т а ^
Последнего блокируются, и повторного его выключения при обоа
ботке данной детали не происходит. Поэтому изГен^ие с„сте
матйческой и случайной составляющих погре^ости будет
„ым образом вследствие запаздывания сигнала. Как и ^ с т Г о
3X0 запаздывание приведет к дополнительному, съему металла с
поверхности детали. После включения реле станка через электромагнит приводит в действие золотниковый распределитель гидравлического двигателя.
^
Вычислим погрешность на основании выведенных выше формул. Д л я системы УАК установлено, что уравнение движения
механической части устройства описывается уравнением вида
где т = Ш — сила инерции измерительного наконечника; х п х —
выходная координата и ее ускорение; с„р=140 Н/см —приведенная жесткость системы; Р=5 Н — измерительное усилие; [(П —
входная функция.
При этом головка УАК устройства представляет в первом
приближении апериодическое звено с передаточной функцией
где 7'=2'10~2 с — постоянная времени звена;
усиления звена.
. Систематическая погрешность, вызванная
системы, на основании уровнений (33) и (34)
!
— коэффициент
инерционностью
' »
где V и р — коэффициенты, характеризующие степень влияния
подачи режущего инструмента и погрешности формы изделия
На систематическую погрешность системы УАК:
I. I
С05
— 51П 2(02^
Д л я структурной схемы УАК — станок (см. рис. 87) погрешность, вызванная запаздыванием системы, определится суммой
вида
133
Следовательно, суммарное время запаздывания систем,
2
4 - Т 2 + Г з + Т 4 = 0 . 0 3 Л (/;,
гп. Л Г Р ^ ) - р а з н о с т ь средних арифметических значений раз.
нов д е т а л е й / о б р а б о т а н н ы х при съеме м е т а л л а в конце об або^^^
Г и Габочих подачах; г ; о - п о д а ч а режущего инструмента. '
При скорости I; съема металла в конце обработки „зд„,
п о я в л я е т с я
погрешность е ( ( ) , вызванная наличием времени з1
паздывания, т. е.
^
Е' (О=О.ОЗЛ
= 2
г-о
При обработке валов 0 25-^-30 мм на станке ЗА151 имед
такие параметры: Уо=0,4 мм/мин; о = 0 . 5 мкм/с; а)2=10л рад^с;
С2=10 МКМ; припуск 5 = 0 , 1 мм; л — 5 мин-».
Кроме того, для золотника с электромагнитом типа Г73!
Т 1 О Л = 0 . 0 5 С, для гидроцилиндра станка т г ц = 0 , 0 1 3 с н ТДЕТ ш=
= 0 . 1 1 с.
Погрешность системы деталь — УАК — станок, п р и в о д я щ «
к рассеиванию размеров деталей с учетом систематический
случайных составляющих, можно представить уравнением внд1
где дисперсия
определяется по формуле (39).
Вычисления дают следующие значения величин: у=3,4'10^;
р=0,42; 2 т , = 0 Л 7 3
(-1
с;
е(/)'=2
мкм;
гН1)=Ь,2т\
± 3 / Щ 0 = ± 2 , 6 мкм; е 1 ( ' 0 = 7 . 2 ± 2 , б мкм.
Данные эксперимента, проведенного в заводских условиях,
показывают, что точность размеров деталей лежит в предела
5—10 мкм, т. е. близка к расчетной. Выведенные формулы лишний раз показывают, что для уменьшения величины ЕХСО " 7 '
ходимо стабилизировать время срабатывания блоков УА^''
станка стремиться к уменьшению овальности обрабатываемы»
деталей, применять малые подачи и соблюдать их постоянство,
увеличивать собственную частоту колебаний системы, уменьшать
постоянную времени УАК.
8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ТОЧНОСТИ
АВТОПОДНАЛАДЧИКОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
КИ техноло^ичег^;;"''""/
автоматические подпаладЛ|
ч е с к о г П е ' л!'^^^^^^^
относятся к классу автом
кого регулирования и могут быть разделены на подналаД'»''
4
т1
кя непрерывного действия (оптимальные следящие систем»^
непрерывно устраняющие рассогласование текушего
и ''
контролируемого п а р а м ^ р а с его заданном з н а ч е н ^ и полна'
Садчики д и с к р е т н о г о ^
в которых значение поАнаГадо':
ного импульса формируется периодически в выбранные моме^
времени. В подналадчиках одностороннего де^твия а в ? 1 а
тйческая .подналадка осуществляется в одном направлеГи в
подналадчиках двустороннего действия направление подналадкй может изменяться.
рассмотрим функциональные схемы подобных систем Для
контроля и регулирования толщины изделий 1 (рис. 88). прокахываемых с помощью валков 2 и 5, используется подналадчик
непрерывного действия. Вследствие воздействия возмущающих
факторов толщина изделия не остается постоянной; К таким
факторам относятся: нагрев валков и других элементов технологической системы, входящих в функциональные размерные цепи,
изнашивание валков, неравномерность их силовых деформаций,
зависящих от качественного состояния характеристик заготовки
на выходе, таких к а к колебания припусков, изменение состава и
твердости материала, температурная неоднородность участков
заготовки, степень ее поверхности и др. Для увеличения точности по толщине на некотором расстоянии Ц от рабочей зоны располагают два измерительных преобразователя ИП1 и ИП2,
позволяющих скомпенсировать погрешности базирования, свойственные одноточечной схеме.
УЗ
I
Рис. 88. Схема подналадчика для контроля толшины
ленты
535
Кначале (еше при отсутствии изделия) на измервтел,^
вводится образец, размер х({о) которого соответ^
позицию ®
„ю толщины
тплшины данного типоразмера
типоразмеоя аТп'/^
.
в Г е
с ш Г Г с ' о б о и х преобразователей ИП^! „
рГсумматор У 1, фильтр Ф1 низких частот, необходим,^;;
^яелення только систематической составляющей сигнала,
исклГения высокочастотных помех, и переключатель ре,
Г а б о Г ш поступает в запоминающее устройство ЗУ1. Это ^'
р о й с т в о может быть выполнено, например, в виде высококач!,.
веГого конденсатора с очень малым значением интенсивно^
Ьазояда В рабочем режиме, когда на нзмеритмьную позице;
вводится контролируемое изделие 1. суммарный сигнал *(/){
ГеГразовате.1ей Ш
и ИП2 через переключатель П1, на^^,'
щийся уже в рабочем состоянии, поступает в сравнивающее уп.
ройство СУ/. Из сравнивающего устройства сигнал рассогласоваипя ^Xр^x(^)-x(^о) подается в блок формирования комац
БФЮ, который определяет направление необходимой поднала;.
ки и значение управляющего воздействия. Затем сигнал через
сумматор У 2 поступает на исполнительный электродвигатед
ИЗ, воздействующий через редуктор Р на нажимное устроГш
верхнего валка 2,
Описанный подналадчик имеет существенный недостаток,
торый состоит в том, что само воздействие на валки вследствя{
появляющихся отклонений в контролируемом параметре изделия происходит со значительным запаздыванием. Тем сами
этот подналадчик осуществляет поднастройку по апостериорво!
информации. Поэтому такой подналадчик не может реагировать
на изменяющиеся свойства параметров заготовки, что можя
существенно снизить точность технологического процесса. Дл»
устранения этого недостатка в систему вводится цепь налади
по априорной информации о свойствах заготовки, позволяются
прогнозировать ожидаемые отклонения контролируемых параметров и заблаговременно вводить необходимые поправки
Для этой цели на определенном, приемлемом по технически)!
соображениям, расстоянии /о располагают вторую и з м е р и т ^
ную позицию с измерительным преобразователем ИПЗ, котори
контролирует, например, значение припуска или другой фа^о
факторов), существенно влияющий на после»
це^ь « Г о л к о н т р о л и р у е м о г о параметра (толщины). Эт
произвол^мп^Г'" ^«^^о^и^'но иепи формирования сигнала, во
с т Т н н Г л Г п Г " ' ' ' апостериорной информации. Однако су^
цепи априорной информации явля ^
емя"?!ДГ
сигнала воздейств «
нившими^я сеойст^^
Участок изделия с 1 ^
путь / о скоростью .0 от зо«
136
Другим примером подналадчика непоеоывнпт п^ял, "
«ается система, используемая на станкау пЛп^/^ Действия явсо снятием стружки (рис 8 9 ^
^Гользуется на продо^^о^еа'^^^^^^^^^^^^
токарной/руппы для обработки Цилиндрических деталей с ком'
пенсацией продольных погрешностей формы, д"я обработюГ^
бочкообразных валов на станках с ЧПУ и дп
оораоотки
Деталь / обрабатывается с помощью режущего инструмента 2, расположенного на каретках с направляющими п р З ь н о го и поперечного перемещений, осуществляемых испол^т^ьными электродвигателями ИЭ1 и ИЭ2. Действительное зн^ение
контролируемого диаметра вала, преобразованное в электрический сигнал, от измерительного преобразователя ИП1 через усилитель поступает в сравнивающее устройство СУ.
В э т о . ж е устройство поступает сигнал от задающего программного устройства ЗПУ, соединенного с измерителем прод о л ь н о й координаты ИП2. Разностный сигнал рассогласования
Ддгр через суммирующее устройство^] поступает после усиления
и преобразования на электродвигатель ИЭ2 поперечной подачи,
корректируя ее значение,
'
,
Описанной системе, как и предыдущей, присущи недостатки,
связанные в первую очередь с запаздыванием информации о
контролируемом параметре, поскольку существует смещение зоны контроля по отношению к зоне обработки на величину
Поэтому при необходимости в систему вводят преобразователь
ИП, расположенный перед режущим инструментом на расстоянии /о. Этот преобразователь вводит необходимую поправку
^''^(^о). учитывающую, например, действительное значение припуска.
Анализ динамической точности подобных систем после составления . передаточной функции осуществляется методами,
'
'
•.
I
.
ЛхМ
'
.
-
•
х(1}
Л
щ
ИЭ1
I
р • о
ГНС. 89. С х е м а п о д н а л а д ч и к а д л я к о н -
»РОля бочкообразных валов
о
Рис.
РП
уу-
к о н т р о л я
Схема подналадчика
„„„никовых колец
подшипник
для
•
^^^
погоешности и др
Совсем иной подход к расчету о ж и д а е м о й точности тпок,^
сиаемы сложного контура, выполненного в виде подналадчГ
дискретного действия. Эти подналадчнкн используются ад
центровых, шлифовальных, токарных, фрезерных и иных виа?
станков, на которых осуществляется последовательная обра^.
ка ряда деталей.
Целесообразность использования подналадчиков предопред,
ляется недостаточной точностью оборудования вследствие во].
дейавня на него целого ряда влияющих факторов, таких ках
колебание припусков и других физических свойств заготовог
изменение режущих свойств и изнашивание инструментов, тепло!
вые и упругие деформации технологической системы и детали,
нестабильность механизма подач станка и др.' В то же врем
непосредственный контроль в процессе осуществления данно!
технологической операции затруднен вследствие загруженноста
зоны обработки, наличия стружки, значительных технолот?ских за1^язнений, абразивных смазывающих и других масс, сопровождающих технологический процесс.
В подналадчике двустороннего действия для бесцентровошлифовального станка (рис. 90) диаметр д е т а л и определяета
расстоянием между режущими кромками ведущего и шлифовального кругов. Затем деталь из зоны обработки (положенпе/)
попадает в зону контроля (положение I I I ) . Если контролируемый диаметр детали, например вследствие изнашивания шлифовального круга, приблизился к верхней контрольной границе, то
^^"^^пДР
Р^® времени РВ и отсчетно-командное устрой;
Г и 49 о
сигнал на исполнительные электромагниты ЯЗ/
о
электромагниты через шток поворачивают храповое
ии Т 1 „
приводит через редуктор и винт ПОДЗшлифовальной бабки на расстояние, проРелё
' " о ! " " ' ' пад«аладочного импульса а.
подачГкомя^п» ^ ^ "Радназначено д л я совмещения момент
о с ^ щ е ^ ^
подналадчиком моментом в ш.кле
и^-уществления технологического пооиесса
н«пул"с?ГеГзГч"ен^''°'
подналадочн^
ма подналадки значения в зависимости от выбранного алгорит
(РИС.11ГТ^чалГнЙ'м
контролируемых размер
« 0 = 1 ) оборудование
/ о - затем,
О ИЛИвелпР .
размер (при но
Дящих со станка
процесса, размеры схо
138
начинают изменяться.
Наиболее общим случаем
А^лет такой, когда присутствут не только случайные составляющие
погрешности
об-
Гяботкн. но и систематические
^пставляюшие,
вызывающие
функциональные
изменения
центра рассеивания
(кривая
В В)- Конечно, может происходить и функциональное, изменение самого рассеивания Рис. 91. График изменения контроразмеров деталей, так называ- лируемых размеров катец
емого мгновенного рассеивания, определенного за малый промежуток времени (например,
для я — 5 - ^ 7 ) . Однако практика показывает, что такие изменения в металлообработке менее значительны, чем изменения положения центра рассеивания.
Так как при выбранном методе контроль изделия осуществляется после прекращения процесса обработки, то получение
последующего годного изделия возможно лишь в том случае,
если изменения его контролируемых параметров не будут превышать возможных ожидаемых наибольших значений, во всяком
случае будут менее некоторой величины ±/гаиг. Следовательно,
если подналадку осуществлять только тогда, когда контролируемый параметр достиг верхнего (Хтл%) или нижнего (Хт1п) предельного значения, то процесс обработки будет сопровождаться
появлением б р а к а . Поэтому при проектировании подналадчиков,
которые, к а к правило, уменьшают только систематическую составляющую изменения контролируемого параметра, назначают
верхнюю (х^ъ) и нижнюю (Хкв) контрольные границы, лежащие
внутри поля допуска.
Точность технологического процесса с автоматической подналадкой и помехозащищенность системы в значительной мере
зависят от выбранного алгоритма настройки.
Самыми распространенными видами подналадки являются
подналадки по одной детали, по повторным импульсам, по медиане, по среднему арифметическому.
Наиболее простым (с точки зрения конструкции отсчетнокомандного блока) является метод подналадки по одной детали.
В этом случае подналадка осуществляется всякий раз, когда
«контролируемый параметр изделия выходит за настроечную гра«ииу. При этом подналадка осуществляется постоянным смещепием уровня настройки на величину а.
„оии^тргп
' Этот метод оказывается неэффективным в случае возникшего
«"езапного отклонения контролируемой величины, вызванного
1^кими изменениями свойств заготовки, загрязнением н а ^
'^^Р^ности контролируемого изделия (см. рис. 90) на измеритель
139
л г т т я п и и И Т. Д. Тогда смещение уровня настройки на
а т ж ^ привести к появлению б р а к а противопо/ож^
з н з ^ н Т д е ж н о а ь этого метода снижается и тогда (см.р
>
Г г я а между зоной обработки (положение / ) н и з м е р и т З ^
пГициёй ( п ^ о ж е н и е / / / ) находится несколько изделий („о"^ ^
жение
предположить, что уровень настройки бу^
Гч^щаться в одном направлении столько р а з , сколько дета,^
расположено между заготовкой т е подлежащей обработк^'
контрольной позицией (для рис. 9 0 - а х < 4 а ) .
Эффективность подналадкн д л я этого случая возрастай
(суммарное рассеяние размеров уменьшается), если вести под.
наладку, измеряя каждую Л^-ю деталь, где число N уменьшено
по сравнению с общим числом обработанных изделий в к раз
(й —число изделий, находящихся между заготовкой и измерн.
тельной позицией). Но такой алгоритм обоснован, если между
положениями 1—111 не происходит резких аномальных смещени!
уровня настройки, т. е. процесс стабилен. Кроме того, при на.
стройке по одной детали при узких контрольных границах
и Хц.я), а также при незначительном изменении систематического
смешения уровня настройки (см. рис. 91) рассеяние размеров
(1'—1)
будет значительно большим, чем при отсутствии автоматического регулирования (1—1). Поэтому часто используют
более сложные алгоритмы подналадкн.
При подналадке по повторным импульсам она осуществляется только тогда, когда за контрольную границу выйдет подряд
заданное число (например, | / ^ = 3 ) контролируемых параметров
деталей. Если после выхода контролируемых параметров за
установленные границы в пределах N таких отклонений больше
не происходит, схема счета возвращается в исходное состояние,
и отсчет числа импульсов N начинается с нуля.
Поскольку подналадчик компенсирует только систематическое смещение уровня настройки,, наибольшей надежностью
(помехозащищенностью) и точностью обладает система с настройкой по статистическим критериям. Эти критерии («медиана,
среднее арифметическое) вычисляют по «скользящей» выборке
ограниченного объема ( 3 - 1 0 деталей). П р и этом всякий раз
добавляется значение параметра последней обработанной детали и изымается значение параметра первой детали данного ряда последовательных значений настоящего промежутка
времени.
ми п п ^ п Г и , ? " " ' " Р О ^ К ^ "О медиане являются более прос«ч"скомV п „ 1 Г ' '^«"емами настройки по среднему ариф"""^
"О
импульс на подналадкУ ^
' ' " « « Р о я ь н у ю границу выйдет бо.1ее .
осущ; ?вляет«
арифметическому поднала»
твляется тогда, когда за контрольную границу
днее арифметическое значе- «тад
же параметра нз числа параКб'
метров даиноЛ выборки.
рассмотрим методы определения точности технологического процесса, использующего
т
автоматическую
подналадку. Чн
Вероятность подналадки возникает тогда (при п^), когда Ып
центр группирования контро;]Ируемых
параметров (рис. Рис. 92, График изменения размеров
92) приблизится к контрольной при подналадке по одной детали
границе (^кв) на расстояние
ка {а — средняя квад^атическая погрешность выборки, к — коэффициент, зависящий от закона распределения случайной погрешности, для нормального закона к=3). Однако в этот момент вероятность подналадки мала. С ходом обработки вероятность (для л^+О возрастает и, наконец, при смещении центра
группирования на величину Ь подналадка почти всегда осуществляется, т. е. вероятность подналадки становится равной единице, Следовательно, суммарное поле рассеивания контролируемых параметров может быть определено по формуле
где а — значение подналадочного импульса; Ь —значение рассеивания центра группирования моментов подналадок; йи —погрешность измерительного устройства (бн'^0,1Г).
Поскольку величина Ь=1{а\ с; М) является функцией среднего квадратического значения а, числа N деталей в выборке, а
также функциональной погрешности с обработки, приходящейся
на одну деталь, а точность измерительного средства, как правило, на порядок выше допуска на обработку, то уменьшить погрешность обработки можно главным образом за счет уменьшения значения подналадочного импульса а. Так как подналадчик
компенсирует только статические погрешности, его применение
становится оправдан1[ым только при выполнении условий, если
и допуск па параметр детали Т>2ка. Логику построения
конкретных электрических схем при выбранном методе подналадки можно найти, например, в работе [2]. Смещение контрольной границы Ллгк (см. рис. 91) в поле допуска должно учитывать
погрешность Аф формы детали, усредненную погрешность Ы от
•тепловых деформаций детали, погрешность Д„ настройки измерительного устройства, число п деталей м е ж д у позицией обра®отки и измерительной
измерительной позицией и параметров Ь и а (таол. 4;.
141
З . а « « " . расс».»""' « и т р . гру...нр...1.н.
Метод п0дяад«дк*
Параметр Ь
По ОДНОЙ детали
1
По повторным импульсам
По медиане
По среднему арифметическому
ыуя
П р и м е ч а н и е . Здесь
с —среднее значение тренда, ора
хсдяшегося на одну деталь; Л^ —объем выборки.
Целесообразность введения метода автоматической подналадки определяется с учетом предварительно полученных точноапых характеристик технологических процессов, например так,
как это предложили делать Л. В. Теуш и В. А. Силкин, вычисляя
значения
где с— смещение настройки, приходящееся на одну д е т а л ь , ила
тренд; Л^о — число обработанных деталей; ^Ь — снстех^атическая
составляющая, характеризующая значение смещения н а ч а л ь н о й
настройки относительно грпрпчпрл
п л п а допуска;
ппп^гис*' ое
лй —
срсДН^г
настроики
середины поля
—срсдпквадратическое отклонение уровня начальной настройки; (ГГ
среднее квадратическое отклонение собственной случайной сос
тавляющей процесса обработки деталей, характеризующее мгн^
^ " - с р е д н е е квадратическое о т к л о н е и и случайные отклонения процесса смещения •
нГ
среднее квадратическое откло ;
отклонение от принятой зако
7 л я стап^Гп?'''"^ смещения уровня настройки.
^ .
нес^учаГшV^
случайного процесса, наложенного;
пГр
("Р" постоянном изменений 2
ха'ра^'; ° ~
реализаций случайных ф У ^ :
: илих процесс), Ос=0; для нестационарного слГ'
„ого процесса с независимыми приращениями, наложенного на
Й у ч а й н у ю линеиную функцию (с дисперсией проце^а измеГяюшейся по линеннои функции времени);
для с т 1
"фонарного случайного процесса наложенного' на (^,??айнук)
^Гнейную функцию (с дисперсией процесса, изменяющейся по
квадратической функции времени),
Если Сг<0,457' (где Г - т а б л и ч н ы й допуск на обработку детали), то автоматическая подналадка является неэффективной
и в этом случае необходимо сократить время между ручными
п о д н а л а д к а м и . При д > 0 , 4 5 Г следует рекомендовать {если эту
рекомендацию подтверждают, к тому же, экономические расчеиспользовать автоматическое управление. При Зо1>0,45Г
необходимо управлять случайной составляющей путем воздействия на уменьшение погрешности начальной настройки, т. е. на
' а, (введение системы самонастройки и др.), либо уменьшать'
прочие случайные составляющие самого процесса, применяя
автотолератор. При За2<0,45Г целесообразно применить авто-.
подналадчик, осуществляющий регулирование процесса по систематической составляющей.
9. ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ
ГОЛОВОК НА ТОЧНОСТЬ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ
Значение суммарной динамической погрешности можно выявить лишь при одновременном расс^мотрении поведения
всех наконечников и других элементов измерительной головки
с учетом их возможного влияния. Уравнения, определяющие динамические погрешности, получаются тем сложнее, чем более
сложный вид имеет входная функция системы и чем большее
число взаимодействующих элементов учитывается. Получающийся вид конечных уравнений, характеризующих динамическую
погрешность, может быть настолько сложным, что эти уравнения
^удут мало пригодны для практического использования. Поэтому необходимо рассмотреть лишь основные процессы, имеющие
существенное влияние на значение суммарной динамической
погрешности.
Пренебрежение второстепенными факторами возможно лишь
в том случае, если полученные уравнения достаточно точно подтверждаются опытными данными. При этом суммарную погрешНость удобно вычислять по ее отдельным составляющим, ьначале пишут уравнения, характеризующие процесс п е Р ^ " ^ ^ ^
каждого из элементов, а затем, объединив их в систе у уи
"Ий вычисляют суммарную динамическую
^„.Методику вычисления суммарной
удобно рассмотреть на конкретном примере. Поэтому рассмот
РИМ трехточечную головку (рис. 93), используемую при врезных
•
1
процессах обработки цилиндпйи
ских детален (валов). Динами!'
ск»е возденствия изменяющегл
во времени текущего размера?
все три наконечника скобы р!?
личны. Так, если воздействия 1,
базовый в точке С и измерителе
ныЛ в точке А наконечники пои
водят к непосредственному
лению динамической погрещно.
сти. то воздействие на опорный
наконечник в точке В приводи
лишь к смещению скобы в направлении,
перпенднкулярноя
линии измерения.
Д л я полного динамического
расчета головки необходимо расРис, 93. Схема трехточечной скобы
смотреть перемещения всех видов
наконечников, анализируя их по
ведение до отрыва от обрабатываемой поверхности, а затем после их отрыва при контактном усилии, равном нулю.
Часто полагают, что процесс измерения не сопровождается
появлением динамических сославляющих, если не происходит
отрыва наконечников от контролируемой поверхности. В д{
ствительностн при приложении усилия прижима происходит
деформация элементов головки или детали. Следовательно, уже
до момента отрыва появляется погрешность, вызванная упругими (а иногда и пластическими) деформациями. Так, изменение
измерительного усилия на 10 Н приводит д л я многих отечественных скоб к появлению погрешности измерения в 2—2,5 мкм.
Малое измерительное усилие тем более опасно, что не препятствует попаданию под наконечник частиц абразива, ш л а м а и т. п.
Поэтому изменение усилия прижима должно быть, по возможноаи, незначительным.
На основании изложенного первая задача по определению
динамической составляющей погрешности сводится к нахождению изменения измерительного усилия и по этому изменению и
экспериментальному (или теоретическому) графику зависимости деформации от прилагаемого усилия прижима к нахождению погрешности измерения.
попаж?«?
этой Г м . .
сводится к определению функции изменения
и определению максимума (мШ1ймН
наконечника от контролируемой ^
оп1еГетс;
место. Если при расчета
^временен
- им можно пренебречь.«е^И'^^^»^ ^ ^ ^
современен, то
144
Го ч н Х . в с е эти задачи У е л о С ^ с я
^„намическая погрешность с учетом источни^о«
й р а Ц " " . привходяшей на ко/пус скобГчТрез ее
то крепления подвески должно быть выбрав с т о ^ ^
рнстик этой вибрации (например, максимальных амплитуд ^^^^^^^^
стот или, точнее, членов
амплитуд и ча>
рассмотрим влияние вынужденных колебаний на пеоемеше.
„ия опориых^наконечников головок. Изменяющийся размео об
рабатываемои детали может быть получен из выражения Г81
путем введения временного 1о„ или фазового смещения ФО! поедопределяемого тем что опорный наконечник выведен из зоны
обработки. Входная функция будет
(40)
В первом приближении уравнение усилий, действующих на
наконечник, может быть представлено в виде
Подставив вторую производную от функции (40) в уравнение
функции (41) при 1 о п ( 0 = 0 , можно определить критические значения усилия прижима Роп, частоты СОкр.оп и амплитуды Лкр.оц,
при которых еще не происходит отрыва наконечника от контролируемой поверхности. Движение наконечника после его отрыва
будет описываться уравнением
решение которого при начальных условиях ^=0, Хоп(0)=0,
приводит К формуле
(42)
гдес1=0.
Коэффициент Со находят по первой производной от уравнения (40) при
т. е. Со=Хта1оп. Время движения опорного
до момента остановки определяют из уравнения
(42):
^ОП
Роп
тск
откуда ( * = 0 )
/Пск^О
оп
145
Таким образом путь, пройденный от момента отрыва до
оааяовкй. составит
^
^
За это время размер изменится до значения (40)
г,
I
г ^
^ ' / / "ск^О
а наибольшнй отрыв, исходя из уравнений (43) и (44), составив
Рассмотрим влияние вынужденных колебаний на перемени,
ние базового наконечника головок. На нижний базовый наад.
нечнйк воздействуют колебания изменяющегося размера,
бания измерительного (верхнего) наконечника, вертикадьвц
составляющая от колебания положения опорного наконечника!
привходящая вибрация подвески. Однако если фаза и часкп
привходящих колебаний подвески часто произвольны, то эта
параметры колебаний измерительного и опорного наконечнпш
связаны с амплитудой и фазой колебаний базового наконечник
Пренебрегая колебаниями измерительного наконечника, масс»
которого в данном случае много меньше массы головки с по^
веской, получим дифференциальное уравнение для базового наконечника:
где /Лс« —подвижная масса скобы с деталями подвески; (/аробобщенная координата перемещения базового наконечника!
направлении линии измерения; кск — приведенная жесткость пружин подвески скобы и измерительного наконечника;
акция на базовый наконечник.
Линия действия составляет угол р по отношению к линия измерения. Обобщенная координата
г д е — перемещение базового наконечника по линии измеренияизменением контролируемого размера;
к о л е б я м ^ ? ^ " ' наконечника по линии измерения, вызван^
колебаниями положения опорного 1гаконечника;
перемету
ш ^ о д " ски
п р и в о д я щ и м и колебз««^ми подвески, а приведенная жесткость
«Ой пружины Г
ЙН.Я-жесткость измерите^
«есткость пружины подвески штока
'
3 уравнении (46) приведенная
быть определена из выражения
статическая
сила Р может
^
где Р е к - в е с скобы с деталями подвески, а. Ь и с - п р е д в а р и тельное натяжение соответственно пружин подвески скобы, измерительной пружины и пружин подвески штока.
^ Перемещение у1 базового наконечника, вызванное изменением контролируемого размера, можно описать формулой (40) с
учетом временного /б.п или фазового фб.н смещения:
(48)
где Рб.и — угол, составленный осью измерительного наконечника
и прямой, проведенной через центр детали и ее точку контакта
с базовым наконечником (угол между линиями действия и измерения).
'
Перемещения у2 базового наконечника, вызванное составляющей от колебания опорного наконечника, на основании выражения (40) будет
1/2=^оп(01ЕРб.е.
(49)
Уравнение уг, характеризующее величину перемещения базового наконечника, вызванное привходящими колебаниями подвески, в первом приближении можно принять в виде
1/з=Л„51П((0„/-1-ср„),
(50)
где (йп и фп — частота и фаза составляющих колебания подвески,
направленных вдоль линии измерения.
Найдя первую и вторую производные от уравнений (48), (49)
и (50), можно выяснить, что отрыва базового наконечника от
контролируемой поверхности не произойдет, если будет выдержано следующее условие:
+
/
^ск Ц Р "
+
+
С05
,
+ / "
.
+ ^б.н)) С05 Рб.н + ^оп (О
(О
+
•
Рб.н -
(51)
^ Ф о р м у л а (51) позволяет определять изменения условия при^
а т а к ж е критические параметры (частоту, амплитуду и
Усилие прижима Р), при которых произойдет отрыв б а з о в о г о ^
^оиечника. Д л я исследования движения
наконечника
его отрыва необходимо решить уравнение вида (46) при
1 А7
б
а
з
о
в
о
г
о
I
удовлетворения ус-повяя.
Упр-О и
«^-''ьныху^
найдем
51п
+
/НсцМсК
"се
(32)
собственная частота,колебаний сад.
•
^•лиоц
/ля^—Л'^Ок значение От.»т.„
»
Исход'я из выражений ( 4 8 ) - ( 5 0 ) . значение утшг.р может б^^
найдено, как
ГЛв
а,
С05 «с^
к
Воемя /б в, затрачиваемое наконечником д л я прохождешц
ПУТИ от момента отрыва до момента остановки, можно найти щ
выражения (52). приравняв нулю первую производную
I
,
Утшхпр'Яск^ск
5
•се
(5^
путь, пройденный за время ^в.ю будет
р
СОЗ агс!е
З а это время текущий размер (48) примет значение
(1К.агс1е
т
УпИщрЯск^ск
•агс!8
\ "ек
^
г
' "
^ ПММИЙ
Следовательно, динамическая погрешность по лини»
ния составит
,
Рассмотрим влияние вынужденных колебаний " ^ ^ „ ы й ванне измерительного наконечника головки. Н а измери
дз^ер». 1
хонечник воздействуют изменения контролируемоги ^^^^^
перемещения опорного наконечника,
перемещения
1
ся учитывать воздействие на этот наконечник авто
вызываемых силами тренкя. Учитывая первые четыре
действия, можно написать
148
на — ^ шя
_ о б о б щ е н н а я координата перемещения, измепип^пкилго .
„Очника; уи. - перемещение измерительного
"иний измерения, вызванное изменением контрс^ируемо^^^^^
мера;
перемещение измерительного н а к о н З а по лини^^^
,,з5ерения. вызванное колебаниями положения опорного нако
„ечника; ^/„з - перемещение измерительного наконечнГа по ли
НИИ измерения, вызванное привходящими колебаниями по^ески; Г/Н4 - перемещения измерительного наконечника по лиции
измерения, вызванное автоколебаниями под воздействий сил
трения в месте его соприкосновения с контролируемой повеохностью; 1/и.пр-перемещение опорного наконечника вдоль линии
измерения; РНН=ЙЯ.ПО+ЛПШС. ,
Составляющая 1/и1 может быть вычислена по формуле (40):
где и — и з м е н е н и е времени для измерительного наконечника
Составляющая ^«з может быть вычислена по формуле вида
радиуса можно найти по формуле
где Хоп — перемещение опорного наконечника по направлению,
перпендикулярному линии измерения;
—радиус контролируемой детали.
Составляющая унг может быть вычислена по формуле вида
(50). Составляющая у м может быть определена на основании
(см. рис. 51) соотношения
где а/1 — смещение, вызванное деформациями точки контакта
наконечника под действием сил трения в направлении, перпенДИ1^лярном линии измерения.
,
. , , ,.
Составляющая у„.„р определяется по выражению (47):
1/и.пр=У.ф/С05Рб.н.
. „Дифференцируя дважды уравнение (55) функции уоъ, выраженной через аргумент'
и подставляя полученное значение в
формулу (54), находим'по изложенной выше методике критичепараметры (ОН.Н.КР, Ли.н.кр, Ри.н.кр. По этой же методике на.*одим время ^ин. затрачиваемое штоком измерительного нако«е^ника на прохождение пути с момента отрыва наконечника от
контролируемой поверхности до момента его остановки [см. фор^УЛУ (53)]:" •
' - ^
'
' '
.«й.н
'^и.н
149
Путь
пройденный за время /„.н. н изменения те
щего размера
01'и.н
+
•С05
+
и.и
V
"и.и
и.и
'"и.нШи.а
Тогда динамическая составляющая погрешности от отрыва «з
рительного наконечника будет
Определим суммарную динамическую погрешность рассця
риваемой головки, используя выражения (40), (41), (52)^
Д!/X=-
+К„р -
^ (/е.,) С05
,
(51)
где
I)
(Уев
I
при
при
3) к
"Р"
^6<К2ЛАоо;
5) /*.п и /б.н — запаздывание моментов прохождения контро
конечн^^^^^^
"оверхности через измерительный и базовый наи
" /об —момент отрыва соответственно измерительного
и базового наконечника от контролируемой поверхности;
базовогп
соприкосновения измерительного!!
Если иэв^г^Т. Г
" У'^С) " а величину я+рби.
т г н ™
определсия из,«г
конечники ,0 '
Килий, воздействующих и н'
осуществись „а"^ЭВМ " " " "^°бход.шых расчетов целесообраз"»
^И.
"трешпостег. КОИР5;
Так, после написания
представлен на
" " и я ячеек памя?Гпп,
комментариев и резер»" ..
памяти под имеющиеся исходные величины и м^'"
значении параметров /
детали А "
/
Нет
'^Расчет маментоб инерции сечения
детали М1(1) и головки МЦ2)
I
Расчет приведенного показатепя
'Ускорения VI
Расчет деформации
от смятия ВСМ'(^(Р}
Расчет изменения
статического усилия РуГ
Расчет суммарной деформации
Вмвод на печать
ВЕгп, шб, ВСМ, паем
Расчет изменения
динамическою усилия Р01Ы
С
Коней,
Расчет изменения
суммарного усилия Р'^Р5Т*РИ1Н
т
^ис. 94. Алгоритм расчета погрешности контроля
'
:
I
'
ВЫ ВВОДЯТ конкретные значения параметров деталей и головки,
выбирают требуемые схемы контроля. Затем в программу загадывают формулы вспомогательных величин, таких как геометрические моменты инерций типовых элементов контролируемых деталей и головок, формулы для расчета приведенных показателей ускорения, формулы для расчета различных вариантов
"зменения статического и динамического усилий. Далее по сум«е изменения этих усилий рассчитывают деформации элементов
головки и значение их контактного смятия. В результа^^ расчета устанавливается значение суммарной деформации,
"Ределяющей возможную погрешность контроля.
151
Ппинео расчета размера образца трехточечной скобы, устаноалс,».
обра2«1К - а / а 033.4. Для конкретных условий обработки д о л ^ ; ! "С»»,
слелутошие составляющие:
«тьц
й ^ - " Т а й н а я составляющая погрешности образца (бое-0,003 ии.
{.•^-.мучайная составляющая погрешности срабатывания („о
татам испытаний вс,-0.0002 ым);
б . - с л у ч а й н а я составляющая погрешности настройки (по результат,.
питаний в.-0.0(Ю7 м«);
^
Г « . - с и а е 1 « а т и ч е с к а я составляющая температурной погрешности
тали (Определяется по гоаЛику рис. 145, приведенному ниже в гл. 8.1!,
дачи 0,4 мя/мин. Д „ - . - 0 . 0 и мм):
систематическая составляющая смещения уровня настройки (пог,
войТНа рис. 135
, - 0 . 0 0 0 0 4 мкм/мм) от воздействия нагрева измерн^
яых наконечников, нагрева детали от возрастания температуры охлаждзй^^
жидкости и от изнашивания измерительных наконечников;
систематическая составляющая, возникающая вследствие погрев.
ности формы изделия (определяется по графику (см, рис. 141) для частот
вращения изделия л - 2 4 0 мин"' и для погрешности формы Л=0.008 ыкипр,.
водит к погрешности, равной Л/2«0,004 мм);
Д|д.« и Й! д.. —систематическая и случайная составляющие, вызваквщ
запаздыванием системы (определяются по графику (см. рис. 145)]
= 0,0105 мм, а по результатам испытаний Д / = 0 , 1 2 5 с ) ;
в к ^ о у ч а й н а я составляющая, привносимая вторичным средство» (]Ц]
рычажной скобы бк*>0.002 мм);
вяр —случайная составляющая, вызванная изменением значения прцхка (из графика на рис. 139 видно, что относительное значение погрешкосп
равно 0,03).
Расчетный диаметр образца определяется следующими составляющие,
температурным изменением размеров деталей Аг«мп=0,014 мм; соаавляюше!
динамической погрешности Л'фор"0,004 мм; составляющей времени запазшвакня Д|д„-0.0105 мм и половиной допуска на изготовление Гов/Х»
-0,0015 мм. Итак, диаметр образца
ИЛИ
^сб = «'ср + .^теия + Дфор + Д/ДИН + Тоб/2
+ 0.014 + 0,004 + 0,0105 + 0,0015 = 33,4215 мм.
Оедовательно, размер на изготовление образца будет 033,4215-0,«5Такой подход к определению исполнительного размера образца спракдлив лишь в том случае, если систематическая погрешность Дсу-, хотя и извкгПп^аТ"'
"О знаку, т. е. Д с , - - | В . п | .
обработки которых необходимо п?^
извести поднастройку. Границы настройки будут отстоять от соответствуют*
предельных размеров на расстояние
„ а й д е м суммарную
« « погрешности подчиняются закон
Случайная составляющая
^0,125^=0,8
60
^^^
мкм.
р..з«1р„в дстмсй у УАК, время срабатывания коири'
„явно половине периода основной цилиндрической плг.
Й мкм. Тогда
прической погрешности,
Следовательно, границы настройки должны отстоять от
'
предельных отклонений на расстояние
^«-тоять от соответствующих
2
На компенсацию систематической составляющей Ас« язимю.прй.а .
исАному закону, остается
^"ум. язмеяющейся по
ъа
^фор +
2
2
' При В—0,04 мкм/шт (см. рис. 135, б)
.
.
=
1,5 •
л„одк = "Т77"
0,04 = 37 шт.
ли-
мкм.
'
Если известно не только предельное значение изменяющейся систематической погрешности обработки, но и ее направление, то число обработанных деталей между двумя поднастройками при соответствующем изменении размера образца, можно увеличить в рассматриваемом случае минимум в 2 оаза
т. е, до 74 штук.
^
у ,
I
• 1.
Г-
-
I л / г^л ^
куктх^лх
о-з ^ г д г к Е л * г г р Е к г т р и : . т. е. са
«-тел
сгссквЕые 2ггакгтг52з$
гшкуи у/ту^^Ая рркиекхлтся гргхтг^егСЕг егедо^ЕГЬЕЗ
илгА^и
г/лАУЛг^ъ
Е
в згс5 к а
' / т г расск^триегться т о л ь л о т г г г г
сгп^и.
Н сио^ме гвтоиаткчесиого когтрсля все сгерг::г2 с о5-л
ГЛ^И Г-ОИ/РОЛЯ Д О Л Ж Н Ы врг)го;аггъся Г Е Т О К Г Т Н ^ Е Г Е А . В ЗГГА
от из1игчеиия оии подраз;:еляю7ся в а ргзбрзхсзоиа;
ЕИДЙ-Л^ЯОШКС ИЗ пролуулии СргкоггЕВие
Г З Д Е Л Е Я Б З НЕХОТОРА
СЛ/Ч»ЯХ с/>р1ирующис эти изделия по взлви бргжг, сортиров»
йие, подразделяющие объекты по гр>-ппгм по Е о н т р о л и р у е м и
гирвметраи, например для селективной сборки, и ком11лйт)1>
ши^, т. е. подбирающие для сборочных единиц с00тв€тств)т>
шиа ии по значениям контролируемых параметров комплект]»
шис изделия.
г
у
к'
Иозможни и другие виды классификаций рассматривае!!^
шГ'
измерительных позиции, по расположен^
^ п ^ ' (карусельные и продольные), по с о с т о я н и ю обУ
и
по х^арактеру действия (прерывиоо.
литьК/и"''"'""*
систем контроля особо надо вш^
мое и
к о н т р о л и р о ^ т ь объекты без У^
« "рои водя^л ' К ? " " '
^ заданными координат
'«см' П бол?с ^о^пп
®
движения объектов. 5
» 'М^оцессс д в ' ^ ж ^ К ^ а Т 2 К И Х систем объект ко Р^^
степ", г Г с о ^
^^^^
^
!
" ЛРУ?"
у
системы, ее принципа Д ^
«-труктурная схема системы может измс
однако наиболее тн- Иэдете
Г—1 р—^
^и'чной структурной схеиу Изделие
мой является схема приведенная на рис. 95. ИзПр ЗУ
Гелия партиями или по^.тучно загружаются в заву
Гпузочное устройство УЗ
'откуда
г ' __
€аптпМЯТИЧРГК1;
автоматически
Рис. 95. Структурная схема системы авто«^""емы автотранспортируются специ- матического контрадя
альным органом ТО Б заданном темпе и числе к устанавливающему органу УО, подающему объекты в заданной ориентации к измерительному органу
НО. С помощью преобразователя Пр и, в случае необходимости
электронных вычислительных устройств ВУ определяется характер брака, В соответствии с результатами контроля исполнительное устройство ИУ отбраковывает или сортирует объекты
контроля. При статистическом контроле или в тех случаях, когда обработка результатов измерений занимает большее время,
чем переход изделия с измерительной позиции к исполнинтельному органу, в систему вводится запоминающее устройство ЗУ.
Кроме того, запоминающий орган может быть связан с исполнительным органом с целью учета числа объектов, попавших в результате контроля в ту или другую группу проконтролированных
объектов.
1
2. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
Производительность систем автоматического контроля
может определяться свойствами этой системы, если она работает самостоятельно, и свойствами системы, производящей объекты контроля, если контрольная система стоит непосредственно
[За производящей и темп ее работы зависит от темпа выпуска
•Объектов, подлежащих контролю.
. Производительность системы в любом случае определяется
количеством объектов, которые она смогла проконтролировать
в единицу времени и в зависимости от задач контроля выполнять исполнительные команды при непрерывной работе, т. е. Оез
.учета времени простоев, вызванных наладкой, регулировкой, пеР^^Рограммированием, текущим ремонтом, загрузкой детален в
^^ Если система контроля имеет орган, позволяющ1ш^^менять
^^ производительность, то при ступенчатой
"Р303.
• бдительности в ее паспортных данных У«з^ь.ваются в «
^
^'ожные значения производительностей, а при плавной регул!
производительности-диапазон ее изменения.
«
155
к ^ ь к с ж ^ Сип» ссре^-елекг по ^ г с л т
'^''ЛА-ЛГЛ П1 и ^^устгточно больгз^й г р о к е г ^ т с г гриен!!.
1\г (АУ^л* получекиого значения д е й с т в г т ы ь в о й срэизвод»
тслйости кожет Сить опре;:с,':ен Г О З Г Ф Ф Н Д Е Е Н Т ЕСЛСЛЬЗСВШ
глитрояьной системы
Если при учете производительности учитывать простои,
ваниые только каким-лиСю одним видом причин, то можно с^
ределить коэффициент использования контрольной свстемым
данному виду причин.
Необходимо учитывать, что, как правило, инкловая произ^
дите-1ькость систем контроля всегда может быть несколько
личена, если система контроля работает независимо от произво
дящей. Однако увеличение производительности обычно вызшет Солее быстрое изнашивание системы и, следовательно, уменьшение среднего межремонтного срока, увеличение вибраций!
других факторов, влияющих на достоверность результатов кок^
"отерь времени на вторичный контроль ит.Дчет Л
У^^^'^ение цикловой производительноан влеГия
. некоторое уменьшение коэффициента использов^
Тфициент и п - " увеличении цикловой производительноан к
т 1 1 Г я п о о и Г - м е д л е н н о , и поэтому деи^ ;
смотря на плД „
^ ^ " о в и т с я СТОЛЬ стремительным, что,
производительности, действительна
« и сис?е„Т„"„°?т « п п ^ ' " '
образом, каждая контр^
вительную п р о и з ! ^ ! ^ ^ ' ' " ^ определенную максимальную А
генная о^птим'аль^ ^
~
соответствует опреД^
Обычно время Д м п ^ ®^^ производительность.
'
нательного в р е м е н
контроля значительно меньше вспо^
Ремени. затрачиваемого на загрузку, транспорт"
нГто
б"
указанных операций следует совТещаТь
з"^ремени: контроль проводить в процессе трансп^тировТоб'работку
^ « ' " « е - в процессе%ранспор?и.
ровки, за это ж е время хотя бы частично подготавливать пЬложение исполнительного органа и т. д. В системах прерывистого
д е й с т в и я , у которых в каждом цикле контролируется по одной
д е т а л и , время, затраченное на ее контроль и сортировку, составит
где и, (2, 'з и т. д. — соответственно время загрузки, транспортировки на измерительную позицию, установки объекта на измерительной позиции, контроля, съема с измерительной позиции,
сортировки и т. д. Автоматы, работающие по такому циклу,
обычно просты, но малопроизводительны.
Возможно совмещение всех этих операций: когда один объект проходит загрузку, другой подается в измерительную позицию, третий контролируется и т. д. В,этом случае темп работы
автомата задается самым большим из рассмотренных промежутков времени, а все остальные приходится приравнивать к нему.
Производительность такого автомата намного выше, чем у предыдущего, но его конструкция много сложнее. Кроме того, воз-,
никают дополнительные потери времени, связанные с началом
контроля партии объектов, когда контролируемые объекты рас»
полагаются еще не на всех измерительных позициях, и при окончании контроля партии объектов. Чем больше объектов одновременно находятся в различных органах автомата, тем существеннее эти потери.
Поэтому значительно лучше автоматы, у которых число объектов, одновременно находящихся в различных органах автомата, меньше. Это требует совмещения отдельных органов или ис^
ключения их. Например, если объект контролируется в
се его движения транспортирующим органом, то не треоуется
«Ремени па установку изделия на измерительную позицию в^^ю;е»1ие и выключение измерительного органа, и т. д. В качестве
Римера показана схема устройства, контролирующего отклоне
'"е от прямолинейности о б р а з у ю щ и х цилиндров ( р ^
^ ^
^;;РУзочного устройства / контролируемые Цилиндры 2 поп да_
"а шнеки
которые вращаются и "«^ают о б ъ е к т ^
' « в д о л ь , своих осей. Объекты контроля
4 и поэтому не могут съехать со шнеков. В зависимое
I &»
СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
ьаРУКТУРНАЯ СХЕЛТА и КЛАССИФИКАЦИЯ
Под системой автоматического контроля обычно &
нимают средство, с помощью которого может осущеавлятю
автоматический контроль объектов производства или процесса
В настоящее время контроль процессов обычно преследуетцц
коррекции этих процессов по заданным параметрам, т. е. щ
ется активным контролем. Поэтому пассивные автоматичес®
системы контроля применяются практически исключительно да
целей контроля объектов производства, и дальше в этойглк
буд>т рассматриваться только такие системы.
В системе автоматического контроля все операции с обм
тами контроля должны проводиться автоматически. В завись
мости от назначения они подразделяются на разбраковочнц
выделяющие из продукции бракованные изделия и в некоторш
случаях сортирующие эти изделия по видам брака, сортировок
ные, подразделяющие объекты по группам по контролируем
параметрам, например для селективной сборки, и комплект)!
щие, т. е. подбирающие для сборочных единиц соответав)т>
щие им по значениям контролируемых параметров комплект)!}
1е изделия. •
щие
Возможны и другие виды классификаций рассматриваем
систем: по числу измерительных позиций, по расположево
этих позиций (карусельные и продольные), по состояниюоо»
екта в процессе контроля, по характеру действия (прерывист!^
и непрерывного действия) и т. д.
Среди различных видов систем контроля особо надо в«
лить системы, позволяющие контролировать объекты оез у^
новки их на измерительные позиции с заданными координат
а производящие контроль в процессе движения объектов^
Гпппио
совершенных видах таких систем объект к ^
сохраняет одну, две или даже большее
н^^Гп»;^
к таким системам, например.
некоторые телевизионные системы, системы опознания о''?
и Друг'иГфакгп!"
""«^'^ения системы, ее принципа Д^^^
др)гих факторов структурная схема системы может иЗ154
однако наиболее тп''[чной структурной схемой является схема приеденная
на
рис.
95.
Изделие
УЗ
ТО
УО
НО
ИУИздет
Из-
Пр ЗУ
Гелия партиями или поштучно загружаются в за1-1 ву1
гпузочиое устройство УЗ,
откуда
автоматически
системы автотранспортируются специ- магического контроля
альным органом ТО в заданном темпе и числе к устанавливающему органу УО подаю
щему объекты в заданной ориентации к измерительному органу
ЯО. С помощью преобразователя Пр и, в случае необходимости
электронных вычислительных устройств ВУ определяется характер брака. В соответствии с результатами контроля исполнительное устройство ИУ отбраковывает или сортирует объекты
контроля. При статистическом контроле или в тех случаях, когда обработка результатов измерений занимает большее время,
чем переход изделия с измерительной позиции к исполнинтель. ному органу, в систему вводится запоминающее устройство ЗУ.
Кроме того, запоминающий орган может быть связан с исполнительным органом с целью учета числа объектов, попавших в результате контроля в ту или другую группу проконтролированных
объектов.
2. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ
Производительность систем автоматического контроля
может определяться свойствами этой системы, если она работает самостоятельно, и свойствами системы, производящей объекты контроля, если контрольная система стоит непосредственно
<за производящей и темп ее работы зависит от темпа выпуска
-Объектов, подлежащих контролю.
V
• Производительность системы в любом случае определяется
количеством объектов, которые она смогла проконтролировать
-В единицу времени и в зависимости от задач контроля выполнять исполннте.1ьные команды при непрерывной работе, т, е. без
учета времени простоев, вызванных наладкой, регулировкой, перепрограммированием. текущим ремонтом, загрузкой деталей в
бучкерит.д.
^^ Если система контроля имеет орган, "^зволяющ^ш 1»меня^
^^ производительность, то при ступенчатой
Родительиости в ее паспортных данных Указываются все во
ложные значения производительиостей, а при плавной регули
производительности-диапазон ее изменения.
' (
155
Ппи оаботе системы контроля в вынужденном темп^ ,
' " р Г с Г р е я н ' я пронзвод
определяется выражением
п . я - ч и с л о объектов, проконтролированных в течение .
сматриваеиого цикла работы системы контроля;
ность цикла.
В реальных условиях эксплуатации в результате проо,,:
вызванных раз-1ичнымн причинами, производительность сигч
мы контроля уменьшается. Эта действительная производит^
иоаь может быть определена по числу проконтролированн^
ею объектов л, за достаточно большой промежуток времени!,;
На основе полученного значения деГютвительной произво;!^
тельности может быть определен коэффициент использоаани
контрольной системы
Если при учете производительности учитывать простои, вв
ванные только каким>либо одним видом причин, то можно №
ределить коэффициент использования контрольной системы Е
данному виду причин.
Необходимо учитывать, что, как правило, цикловая пронз»
днтельность систем контроля всегда может быть несколько у»
личена, если система контроля работает независимо от пронзгодящей. Однако увеличение производительности обычно вызм»ет более быстрое изнашивание системы и, следовательно, умейшение среднего межремонтного срока, увеличение вибрацв^"
других факторов, влияющих на достоверность результатов кошроля. а значит, потерь времени на вторичный контроль итД
Таким образом, увеличение цикловой производительности в-^
чет за собой некоторое уменьшение коэффициента использсв^
ння. Вначале при увеличении цикловой производительности ^
зффнцнент использования падает медленно, и поэтому Д ^
тельная производительность растет, а затем падение коэфГ
—
столь
стремительным.
смотря на рост цикловой производительности,
^о^
производительность падает. Таким о^^Р^^ом, ка^^^^^ую дег1
ная система имеет вполне определенную
о"»' •
вительную производительность, которой
. ' ' ' ^
ленная оптимальная цикловая производительно
'
вс» ;
Обычно время самого контроля значительно ^ ^раиспо^
гательного времени, затрачиваемого на загрузку!
пвку. установку изделия на вспомогательную позицию и г .
С т о м у целесообразно систему контроля конструГ^ать т ^ '
^ л в то время, когда один объект контоолнопйялоа
Гнспортировался. третий загружался и т ' . ' ^ Г К эГо воТож
Г т о ^отя бы часть из указанных операций следует совм шаТь"
" 'времени: контроль проводить в процессе трансГртиро^^^^^
'работку результатов измерений т а к ж е - в процессе т р а н с у
1вки, за это ж е время хотя бы частично подготавливать п о ^
Р ение исполнительного органа и т. д. В системах прерывистого
д е й с т в и я , у которых в каждом цикле контролируется по одной
д е т а л и , время, затраченное на ее контроль и сортировку, состапиТ
•
'
•
вит
где и, /а» и т. д. — соответственно время загрузки, транспортировки на измерительную позицию, установки объекта на измерительной позиции, контроля, съема с измерительной позиции,
сортировки и т. д. Автоматы, работающие по такому циклу,
обычно просты, но малопроизводительны.
Возможно совмещение всех этих операций: когда один объект проходит загрузку, другой подается в измерительную позицию, третий контролируется и т. д. В.этом случае темп работы
автомата задается самым большим из рассмотренных промежутков времени, а все остальные приходится приравнивать к нему.
Производительность такого автомата намного выше, чем у предыдущего, но его конструкция много сложнее. Кроме того, возникают дополнительные потери времени, связанные с началом
контроля партии объектов, когда контролируемые объекты располагаются еще не на всех измерительных позициях, и при окончании контроля партии объектов. Чем больше объектов одновременно находятся в различных органах автомата, тем существеннее эти потери.
Поэтому значительно лучше автоматы, у которых число объектов, одновременно находящихся в различных органах автомата, меньше. Это требует совмещения отдельных органов или ис:
ключения их. Например, если объект контролируется в процессе его движеиия транспортирующим органом, то не требуется
«Ремени на установку изделия на измерительную позицию, вклю•ечие и выключение измерительного органа и т. д. В качестве
"Р«мера показана схема устройства, контролирующего отклонеот прямолинейности образующих цилиндров (рис 9Ь). ш
^згрузочного устройства 1 контролируемые иилиндры 2 поп да^
"а шпеки 5..которые вращаются и подают « б ^ ы кон^^^^^^
вдоль своих осей. Объекты контроля
"'^"•^У 4 и поэтому не могут съехать со шнеков. В з а в и с и м о е
Рис- 96. Схема устройства дле
тонких цилиндрических изделий п
от прямолинейности их образуюш^в^^й!^!
транспортировки
г—1
ф
ОТ коэффициента трения
верхностямн шнеков п объекте?
ф роля последние при движении вп^
ются вокруг своих осей или при 2
жснпн провисают, поворачиваясь Г
гнбом вниз. При прохождении об^
над вращающимся резиновым рол|,2
5 и прогибе, больше допустимого, ^
знновын ролик сбрасывает объе« ь
шнеков в накопитель брака 7. Ширина ролика подбираетсяц
кой, чтобы при вращении объектов она превосходила путь,®
котором объект делает один оборот. Годные изделия в коиг
планки за счет вращения шнеков сбрасываются в накопит^
годных изделий 5. При такой схеме контроля затрачивается
мя на загрузку объектов па шнекн, транспортировку по шнека
и съем объектов со шнеков. Все остальные операции по времен
совмещаются с указанными. Кроме того, возможно совмещен?!
времени загрузки и времени съема со временем траиспортй[&
вания, например, когда на шнеках находится одновременно в^
сколько объектов контроля. Оптимальным решением в рассми
риваемом случае является загрузка, при которой изделия уш
навливают в каждый виток нарезкн шнеков.
При последовательном выполнении переходов целесообразш
строить циклограммы контрольных систем. Их построение и ш]чение может позволить установить пути повышения произволтельности.
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ А^ОМА^^^^^^^^
КОНТРОЛЯ ДЛЯ АВТОАШИЧЕСКИХ
Отличительной особенностью
систем является то. что их
таких
строго задана производительностью автоматичесл
ме того, показатели надежности систем
^
хуже показателей надежности автомат11ческои ли» ^ обесп^.
В тех случаях, когда невозможно при
рав^'^
циклическую производительность системы ^ . ^ „ли и
лнческой производительности автоматической
^«оляЛ®^^
можность использовать статистические методы ко ^^^^^ ^о в^^
дует переходить к ним. Если такой возможност! ^^^д^дий.
ходимо одновременно контролировать н е с к о л ь к о
]}
личивая либо число ручьев, либо шаг транспортир'
15а
Гых изделий, то их приходится разносить и располагаГ^^^^^
"образом, чтобы обеспечить сплошной контроль изде^Гй
' ' ' ^ а к о й метод контроля неудобен, так как требует дополнительных запоминающих устройств, обеспечивающих работу разбраковочных или сортирующих устройств, поскольку контроль
изделий осуществляется не в той последовательности, в которой \
проводится разбраковка или сортировка. Поэтому необходимо
стремиться к уменьшению времени контроля и обеспечению у
контролирующего устройства той же производительности, которую имеет автоматическая линия.
Анализ цикла контроля показывает, что сам процесс измерения занимает относительно малое время, а основная часть времени, затрачиваемого на контроль, расходуется на транспортировку изделий, их установку на измерительную позицию, подвод
к контролируемому изделию измерительной головки, ее включение и выключение и, наконец, ее отвод на исходную позицию.
Всех этих потерь можно избежать, если, как указывалось выше,
применять методы контроля изделии в процессе их транспортировки, причем такие методы, которые не предъявляют жестких
требований к взаимному расположению изделий и контролирующего устройства в процессе контроля.
Наиболее удобно проводить контроль в процессе транспортировки изделий от автоматической линии, производящей их.
В устройстве, позволяющем контролировать высоту изделий /,
установленных на столе 4 (рис. 97, а), с помощью электроконтактных разбраковочных измерительных головок 2, при движении изделия под головкой измерительный наконечник 5 скользит
по контролируемому изделию. Включение электрической схемы
осуществляется с помощью фотоэлектрического или какого-либо
другого датчика, срабатывающего при достижении изделием
требуемого положения,
'' Для обеспечения точности контроля необходимо, чтобы контролируемое изделие перемещалось по ровной и гладкой поверхности. При таком перемещении за счет трения, возникающего
"ежду нижней поверхностью изделия и поверхностью, по которой изделие перемещается, происходит изнашивание этих поверхностей. Износ поверхности изделия незначителен, так как
эта поверхность подвергается изнашиванию ^о^^ко раз
^
^^о..троле данного изделия,-износ поверхности
о устройства значительно больше, так как « г о п о в е р х н о с т ь п ^
ргается разрушению при контроле всех нзд лии
« рхность транспортирующего устройства
'^••ьно более износоустойчива, чем поверхность контролируемых .
1 Ээ
1 1
ш
1
Рис. 97, Схем»
«"СОТЫ
контактной
"Роиессе их
ровкн:
г о Л
«-.гггг^?»" ч
годом
изделий. Кроме того, следует иметь в и
ду, что при скольжении некоторых «а1^
риалов друг по другу на более жепкщ
материал могут переноситься частпци5(>
лее мягкого материала, что вызывает!»
явление на поверхности первого
из более мягкого материала. Такое яь'^
ние может возникнуть, например, п}!
скольжении алюминиевых изделий и
стальной поверхности.
Износ рассмотренных поверхностей обычно значитьм
меньше, чем износ измерительного наконечника, скользящего по
поверхноаи контролируемого изделия. Это объясняется тем,"!!»
зес изделия распределяется по относительно большой площа;!
соприкосновения изделия и транспортирующего у с т р о й с т в а . Креме того, возможно вообще избежать трения между этими |
верхноаями в процессе измерения, если поверхность транспор
тирующего устройства перемещается синхронно с и з д е л и е м н в «
происходит проскальзывания поверхности изделия относительно
поверхности транспортирующего устройства.
Изнашивание измерительного наконечника происходит значительно интенсивнее, так как, несмотря на малое измерите.^
ное усилие, оно распределено по очень малой площади, и п^
тому давление достигает значительных величин. Изготовле^
измерительных наконечников из очень твердых материалов оо»
но недопустимо, так как твердые наконечники могут дара"»
IIове^)xность контролируемого изделия.
на Р'^^
«^ей ч е о е Г ; " «ведение п о л " « а к это показано на р^^
Г""
на оси, п р о *
®иения ролвка ^ ' ^ о ^ ь контв^ " -^^^'^^Рочонтактиой гМО>««
Р« когоЖ/«алнчия зазовГ;
" Р ^ н ^ о д и т вследй.
- ось проходам
м е ж д у его ОСЬЮ и втулкой,
160
Наиболее рационально контроль изделий пппвп^ит. «
методами, например, использовать
^^ я этом случае контролируемые излелиа ^ ^ " " " ' ' е с к и и ме^^н?ел"ное со'пло / (ри^
е Г о Г ^ о ^ е ? : ? д"^
Й о ч н о малые интервалы времени, то включение и выключений
озДУ^а при подаче каждого изделия Нецелесообразно и 1 з д у х
стекает через сопло непрерывно. При установке кон'тролир/е.
,ого изделия на измерительную позицию фотоэлектрический или
какой-либо другой датчик подает на контролирующее устройство сигнал, включающий схему измерения, например схему реагируюшУ^ на положение поплавка в трубке ротаметра В этом
случае время нахождения поверхности контролируемого изделия под измерительным соплом должно быть достаточным для
того, чтобы поплавок ротаметра занял устойчивое положение и
в ротаметре затухли переходные процессы. В случае, если для
этого необходимо время т и длина поверхности контролируемого изделия, вдоль которой проводится контроль I, максимальная скорость перемещения изделия определяется выражением
Из сказанного вытекает, что такой метод контроля непригоден для контроля изделий, у которых длина контролируемой поверхности изделия очень мала или у которых контролируется
высота острой вершины или ребра.
Для исключения погрешности от изменения толщины транспортирующей ленты 3 (см. рис. 97, в) в ней могут быть сделаны отверстия, через которые с помощью сопла 5, установленного в столе 4, определяется положение нижней поверхности
изделия.
Вместо измерительного сопла над поверхностью перемещающегося изделия может быть установлена катушка токовихревого
преобразователя. Однако в этом случае следует учитывать, что
измерительное устройство будет реагировать не только на расстояние между катушкой и поверхностью контролируемой детали, но и на изменение физических свойств материала изделия,
например на изменение удельной проводимости.
Аналогично при использовании индуктивного и индукционного преобразователей, у которых контролируемое изделие замыкает магнитную цепь, на работу контролирующего устройства
влияет изменение магнитной проницаемости материала изделия.
Наиболее точно положение границы изделия, т. е. его поверх«ости, может контролироваться Фотоэлектрическими м е ^ ^ ^
Кроме того, фотоэлектрические и, в частности
т е ^
^^етоды имеют ряд доп^нительных преимуществ, которые б)дут
рассмотрены ниже.
в процессе
Толщина покрытий на изделиях и "МИ* ^ д ^
н
перемещений может контролироваться токовихревым. инду
и радиационным методами.
И с п о л ь з о в а н и е средств контроля в процессе транспорт.,
ния кзд^ий особенно удобно при проектированин ро/о
п о т о Р ^ к о н в е й е р н ы х коитрольнь« автоматических систеГ' »
1 Т к 1 т х объект контроля и контролирующее устройство'н!'^
торсе время друг относительно друга остаются неподв„Ц^ ^
Это позволяет увеличить время, отводимое на измерение?''
довательно. время, необходимое иа затухание переходных'
цессов, возникающих в измерительных преобразователях при '
тановке изделий на измерительную позицию.
''«КОднако создание роторных и роторно-конвейерных систем яв
томатического контроля значительно усложняет устройства ^
роля по сравнению с устройствами, контролирующими изделв,
непосредавенно после их изготовления на автоматической лини»
или станке в процессе движения этих изделий от линии или станка к бункеру.
В нааоящее время все большее распространение получают
робототехнические системы, обеспечивающие подачу заготовокн
съем готовых изделий с автоматических линий. В случае прII1!^
нения таких систем целесообразно использовать время перемещения изделий робототехническим средством для контролл
В этом случае при разработке робототехннческон системы уже
должно быть предусмотрено проведение указанного контро.т11,
так как при этом могут быть обеспечены наиболее простые п целесообразные конструкции решения как задач перемещения изделий, так и их контроля.
4- ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ
СРЕДШ
Включение в контрольную автоматическ>'ю систему
микропроцессорной техники позволяет решать ряд задач новнми, более совершенными методами. В частности, микропроцессбрная техника дает возможность значительно расширить
менение фотоэлектрических и телевизионных методов контроль
Рассмотрим это на примерах.
В ряде случаев необходимо контролировать ширину и ДЛИнУ
прямоугольных проекций. Это имеет место при контроле прям(^
ка.яиГпп"''''^''"
цилиндров, что видно на рис. 98, гдеп^
казано прозрачное транспортирующее средство / , на которой
Р ж е ш Г т ^ ^ п " ' " ' "^Делия 1 ' с к а 1 р о в а н и е (развертка) изо^
ражения такого изделия может осуществляться фотоэлектрич^
гг-
/
162
Рис. 98. Возможные способы ^ ^
ложения контролируемых изд ^^
транспортирующем прозрачио
ройстве:
а - б е з перскоса; 6 - с
цсрскосо»'
ским устройством в направлении оси х. а перемещение излелня
вдоль оси у может производиться с заданной с ^ ^ ^
рывно или подачей на определенное число шагоГза едГи^^^^^
времени с помощью, например, шагового двигателя
^
При сканировании проекции изделия вдоль оси
со скоростью У световой поток, проходящий от источника излучения
рез прозрачное транспортирующее средство на фотоприемнпк
будет периодически прерываться во время движения луча света
ло непрозрачной поверхности контролиру^юго изделия Затем^
пение фотоприемника в эти моменты времени будет создавать в
его цепи импульсы, длительность которых определяется шириной проекции изделия А:
^
т—///-у.
Таким образом, по длительности импульсов может быть определена ширина проекции изделия и, следовательно, соответствующий ей размер изделия. Преимуществом такого метода является то, что с помощью микропроцессора или какого-либо дру.гого устройства могут быть просуммированы длительности за'• данного числа импульсов, соответствующих ширине проекции
контролируемого изделия в разных сечениях, и затем определен
средний размер изделия. Одновременно значительно повысится
точность измерения размера, поскольку при таких измерениях
»случайные погрешности будут складываться по закону случайных чисел.
Если известен шаг развертки Д и при контроле изделия получено п импульсов, то длина проекции изделия
Погрешность измерения этого размера определяется точностью поддержания шага развертки и величиной этого шага, т. с.
дискретностью измерения. Обычно размер шага развертки легко
согласуется с требуемой т041юстью измерений и значением допуска на контролируемый размер.
С помощью оптических систем и применения для скапирова
ния изображения контролируемого изделия луча лазера можно
обеспечить контроль очень малых изделий с размерами, значительно меньшими миллиметра. С другой стороны, использование
оптических систем позволяет использовать указаимыи метол и
для контроля крупных изделий, размеры которых составляют
несколько метров.
,
Однако рассмотренный вариант использования
'
веского метода контроля требует такого р а с п о л о ж е н и я при угольной проекции изделия, при котором две его гра1тц стр< параллельны направлению развертки, а две
"ерпеиликулярны этому ианравлению и
' азпсремеп1ения проекции изделия относительно строки раз
„опгки Обеспечить такое положение изделии на проз.,,
''?„.п;птиГующей ленте является достаточно сложной
позволяет з н а ч и т е л ь н о й
ЙГи"аже1лиью^^с^
требования к р а с п о ^ о ^ !
поГекций контролируемых изделии.
%
^ Если проекция расположена с некоторым углом перекос,
Гсм рис, 98). то в начале развертки проекции изделия воз„1;
импульсов, длительность которых постепенно в о з р а ^
Число импульсов с возрастающей длительностью опреде;;
оазмер 6, и. следовательно, при фиксированной длине последу^
щих импульсов т, утол наклона проекции определяется выраже.
нием
51п а соз а=Л1Л/(1'Г1).
С помощью микропроцессора по числу импульсов N н длнтельности стационарных импульсов можно определить длину
ширину проекции:
Н—VX^со5а;
Лх) Д / с о з а .
Под руководством проф. В. С. Внхмана были разработаны
телевизионные методы контроля профиля канавки качения колец
подшипников и других изделий, позволяющие с помощью ЭВМ
получать геометрические характеристики этих канавок при сканировании их изображений под углами, отличными от нуля и9(Г
относительно цилиндрических поверхностей колец.
Доцентом Т. И. Ногачевой был разработан фотоэлектрический метод контроля толщины покрытий на алмазных зернах,
основанный на описанном выше принципе измерения среднего
диаметра Фере по числу строк развертки д л я заданной выборке
зерен из партии до нанесения покрытия и после его нанесенн«.
Разность этих диаметров определяет удвоенную толщину покрытия.
Микропроцессорная техника позволяет расширить облааа
применения и других методов измерения. Так, например, выше
указывалось, что при использовании токовихревых преобразова^
телей для контроля размеров изделий в результаты измерена
вносится погрешность при изменении проводимости материала
° влияние можно практически исключить, если ис
метпГр/Л
два преобразователя с разными гео
н а д ^ о н ~
" расположить их на р а з л и ч н о й высо^
обоабат^^^^^^^^^^^
изделиями, а сигналы, п о л у ч е н н ы е с
оораоатывать с помощью микпппптго..ооа
ме е м ^ . ' ^ а к
.Т"*
««-бхадимое д л я проведения .
в н е к о т о р ы х с л у ч а я х о б р а б о т к а х а р а к т е р и с т и к п е р е х о д н ы х процессов н е т о л ь к о у м е н ь ш а е т в р е м я измерения, но и п о в ы ш а е т
ч у в с т в и т е л ь н о с т ь и з м е р и т е л ь н ы х средств.
б. СИСТЕМЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО КОНТРОЛЯ
П р и а в т о м а т и з а ц и и п р о и з в о д с т в а и з м е р и т е л ь н а я инф о р м а ц и я , п о с т у п а ю щ а я от р а з л и ч н ы х и з м е р и т е л ь н ы х систем,
д о л ж н а п е р е д а в а т ь с я на ц е н т р а л ь н ы й пульт к о н т р о л я . Соверш е н н о о ч е в и д н о , ч т о если н а пульт п е р е д а в а т ь и н ф о р м а ц и ю в
о б ы ч н о й ф о р м е и и с п о л ь з о в а т ь д л я этой цели и з м е р и т е л ь н ы е
п р и б о р ы , к о т о р ы е с т а в я т на к а ж д ы й о т д е л ь н ы й станок или м а шину, т о р а б о т а т ь с т а к и м п у л ь т о м будет, если и не н е в о з м о ж но, т о ч р е з в ы ч а й н о т р у д н о .
' П р и п р о е к т и р о в а н и и систем ц е н т р а л и з о в а н н о г о к о н т р о л я нео б х о д и м о п р е ж д е в с е г о о б р а т и т ь в н и м а н и е на уменьшение кол и ч е с т в а и н ф о р м а ц и и , п е р е д а в а е м о й на ц е н т р а л ь н ы й пульт, с
одной с т о р о н ы , и н а е е д о с т а т о ч н о с т ь д л я к о н т р о л я процессов
п р о и з в о д с т в а и к а ч е с т в а продукции, с другой стороны. Необход и м о т а к ж е в ы б р а т ь м и н и м а л ь н о в о з м о ж н о е число элементов
систем с в я з и , и з м е р и т е л ь н ы х п р е о б р а з о в а т е л е й и особенно индик а т о р о в , у с т а н о в л е н н ы х н а пульте.
С х е м ы п о с т р о е н и я систем т е л е и з м е р е н и й м о ж н о
подразделить н а т р и в и д а : с поочередной п е р е д а ч е й с и г н а л о в на пер е д а т ч и к ; с п е р е к л ю ч е н и е м пер е д а т ч и к о в ; с ч а с т о т н о й модуляцией.
В с х е м е с и с т е м ы с одиночным к а н а л о м с в я з и д л я избир а т е л ь н о г о т е л е и з м е р е н и я (рис.
99, а) о т и з м е р и т е л ь н ы х преобразователей п171 и других
и н ф о р м а ц и я в п е р е д а т ч и к Пд
подается' поочередно
с
помощью п е р е к л ю ч а т е л я Я . Перед а т ч и к к а н а л о м с в я з и КС соединен с п р и е м н и к о м Пр, н а выходе которого в к л ю ч е н измерит е л ь н ы й п р и б о р ИП. П е р е к л ю чатель П о б ы ч н о управляется
по з а р а н е е р а з р а б о т а н н о й прог р а м м е и п о д к л ю ч а е т к передатчику и з м е р и т е л ь н ы е преобр^^^ 99 функциональные схемы сиср а з о в а т е л и в н а и б о л е е целесотем' централизованного контроля о
образной последовательности и
одиночным
„ре.
«а в р е м я ,
оптимальное для
- " ^ Г р Ж Г ^ м
йекаждого из них.
редатчнков
165
Н м о я а т к о м рассмотренной схемы является то, „
т и м п и р у е т цепи с очень с л а б ы м и с и г н а л а ! %
• " Т / ю ш и м Г о г и«ер..ть'.ьиых преобразователей.
&
/ Л " ь. от преобразовате.тей предварительно „ о д > "1%
к о т о р « и ^ - с и л я т до нормированноП
на п°рек.тюч/тель (рис. 99. б ) . Конечно.
комбинированные схемы.
«»
Р а с с м о т р е н н ы е схемы централ^^13ова1111ого
контроля ИМР.
пяд существенных недостатков. Один нз них - слабая
Защищенность. С це,ию ее повышения аналоговые сиги '
обычно преобразуют в цифровые с помощью аналого-цифро
преобразователей. Д л я увеличения пропускной способнопУка
нала связи широко используют частотное разделение сигнало.
Кроме того, в с и а е м а х централизованного контроля широко'н?
пользуют ЭВМ для переработки информации.
Информацию, переданную по к а н а л у связи, подают на распределительную систему, которая направляет ее по индикаю.
рам. При выборе расположения индикаторов на пульте необходимо учитывать требования и рекомендации инженерной псвюЛОГНЙ-
Поскольку системы централизованного контроля не входят!
контрольные автоматы, более подробно останавливаться .на вя!
не будем. Однако данные с контрольных автоматов могут поступать в систему централизованного контроля. При включеви
контрольного автомата в такую систему в него обычно вводят
микропроцессор, с помощью которого в систему централизовав
ного контроля поступают необходимые данные, например о чис
ле годных и забракованных деталей, о числе деталей, забрав
ванных по тому или иному параметру, результаты с^атиств^^^
скоГ| обработки результатов измерений, если автомат не только
контролирует и рассортировывает изделия, но и измеряет ихпз'
раметры. Включение автоматов в систему центр ал изоваввоп)
контроля позволяет по данным, поступающим на центральвнй
пульт, корректировать технологический процесс, т. е. совмещать
пассивный контроль, проводимый автоматами, с активным яоит'
ролем.
ГЛАВА 6
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ РОБОТЫ
I. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ
Автоматизация в крупносерийном производстве экономически выгодна на основе специализированных автоматических линий. Д л я мелко- и среднесерийного производства при
частой сменяемости выпускаемых изделий более выгодно идти
по пути создания безлюдной технологии-и использования перепрограммируемых промышленных роботов. Но в этом случае
часто требуется точное позиционирование, например, контролируемых деталей.
Контурные управляющие устройства обеспечивают погрешность установки захватного устройства манипулятора относительно детали порядка ±0,01 мм. Но такие системы сложны и
дороги. Более перспективным является применение серийно выпускаемых роботов с тремя степенями подвижности, обеспечивающих точность позиционирования ±0,1 мм, имеющих грузоподъемность 1—10 кг, скорость перемещения захватного устройства 0,6 м/с, размеры зоны обслуживания 500X500X500 мм и
использующих электропривод. Точность позиционирования , определяет, например, выполнение тех контрольных операций деталей, зазоры между калибром и деталью в которых соизмеримы
с этой точностью. При меньших допусках в захватном устройстве монтируется специальная головка или в системе управления
манипулятором используются корректирующие обратные связи с
датчиком очувствления, установленным на захватном устройстве
или позиционере, где закреплена основная деталь. При контроле с заданными координатами программно-управляющий блок
оценивает погрешности отработки каждым приводом заданного
Положения. При наличии погрешности формируется закон измен р и я положения. Главная функция измерительного робота
(ИР) — захват и перемещение предмета (детали, измерительного средства) на требуемую позицию в соориентированном положении и в нужный момент времени [3]. На основе использования И Р МОЖНО"
осуществлять метрологические процессы, которые по уровням производства невозможны с участием 'человека (токсичная
запыленная, загазованная, взрывоопасная среда, высокий уро
167
«опияпии оабочего пространства, сверхвысокие быстг,л
' Т и / монГонн^е и тяже.ш операци» и т. п.);
лоаичь высокой производительности контроля в усло.,„
стр?й сменяемости
производства (гибкого а в т о м а и Г з и ^
быстрой
г.
ппоизводства).
сокращения
сроков обучения метролГг„ '
ного производства)^
ским приемам при выпуске новой продукции.
В массовом и крупносерийном производстве И Р пока ещен.
могут конкурировать с контрольными автоматами, вследствие
большей сложности, меньших надежности и быстродействия в
многих случаях роботы еще уступают человеку по быстродейсг.
вню, мобильности и гибкости реагирования на внешние изменяющиеся условия. Итак, робот может выполнять типовые контрольные операции, такие, как:
качественная оценка состава рабочей среды;
установление присрствия определенных объектов, пх счет,
определение возможного расположения, качественная оценка^
сортировка;
оценка значения параметров имеющи.хся или изготавляема'5
предметов (деталей);
определение правильности функционирования отдельных объектов или их частей.
Применение роботов в сочетании с ЭВМ позволяет:
ликвидировать нехватку в рабочей силе;
повысить производительность оборудования и труда рабочих
контролеров;
улучшить условия и безопасность труда, сократить монотонные и >томительные операции, вредные и опасные для здоровья
операции;
выполнять работы в труднодоступных для человека меаах
(морское дно, космос, топки, запыленные пространства, шахты
и т. п.);
улучшить качество выпускаемой продукции, уменьшить брак,
улучшить охрану окружающей среды и др.;
сократить простои оборудования, уменьшить цикл производства, увеличить количество смен;
осваивать новые технологические процессы, при1щипиалья0
не реализуемые при участии человека;
комплексно автоматизировать не только массовое, но и мелкосерийное многоцелевое и многономенклатуриое производство;
РоК""
освоения новой продукции.
2 раза они п ^ " " увеличивать производительность в .5;
Фект от в н е , п 1 '
лет, а э к о н о м и ч е с к и й эф-
^^^
массы, осуществляя более 1000 движений.
роботы второго поколения
Устройства
являются уже «очувствленныЧеловекотЛражения
мй». Д л я «очувствления» они
•оператор
оостановки
звм
снабжены различными датчиками, выдающими информаКетмди»Задающие
цию о состоянии рук, предмерукоятки
ЛсяроЫц
тов и среды (рнс. 100). После
ПреоСраю
рооота
ктеяиинпреобразования сигналы обра^ыации
Т
батываются в ЭВМ и позволяют осуществить управление исполнительными
устройствами
Программное
цстройтйв
с учетом фактических ситуаций. В сравнении с роботами
первого поколения,эти роботы
обладают повышенной маневктройсяк
I
Система
Чпрабяеиич
ренностью, имеют большее чияриШод
Летчики победами
сло сложных программ и позинформации
воляют управлять оборудоваРоВочие
нием, автоматизировать контI Ма11ипц/1тор
орган»
роль сборки и другие процессы
роИвел
в производстве с частым измеI
нением условий. Роботы третьВнешняя среда и
объекты манипудироЗатЯ
его поколения (интегральные
роботы) имеют искусственный
интеллект, высокую
степень Рнс. 100. Структурная схема роботовосприятия и распознавания технической системы
обстановки, способность выработки решений автоматического планирования и контроля операций. Эти роботы могут изменять свои действия (адаптироваться) под влиянием именения окружающей среды или под воздействием .команд от заданной программы. Они могут обрабатывать, собирать и испытывать отдельные виды изделий, управлять несколькими видами оборудования, контррльно-измерительными установками, следить за состоянием оборудования и
ходом производства, осуществлять учет продукции на различных стадиях производства, выполнять некоторые конструкторские, исследовательские и лабораторные работы и т. п. Адаптивные роботы могут определять параметры объекта и окружающей
среды, оценивать реальную картину, изменять последовательность действий.
2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
,
•
Робот содержит манипулятор и систему управления
(рис. 101). Манипулятор имеет основание 4, кисть 2 с захватным
устройством 3 и собственно руку
Основание « " Р е Д е л ^
бальные движения робота,
- региональные, т. е. конфигу
р у к и
169
«опияпии оабочего пространства, сверхвысокие быстг,л
' Т и / монГонн^е и тяже.ш операци» и т. п.);
лоаичь высокой производительности контроля в усло.,„
стр?й сменяемости
производства (гибкого а в т о м а и Г з и ^
быстрой
г.
ппоизводства).
сокращения
сроков обучения метролГг„ '
ного производства)^
ским приемам при выпуске новой продукции.
В массовом и крупносерийном производстве И Р пока ещен.
могут конкурировать с контрольными автоматами, вследствие
большей сложности, меньших надежности и быстродействия в
многих случаях роботы еще уступают человеку по быстродейсг.
вню, мобильности и гибкости реагирования на внешние изменяющиеся условия. Итак, робот может выполнять типовые контрольные операции, такие, как:
качественная оценка состава рабочей среды;
установление присрствия определенных объектов, пх счет,
определение возможного расположения, качественная оценка^
сортировка;
оценка значения параметров имеющи.хся или изготавляема'5
предметов (деталей);
определение правильности функционирования отдельных объектов или их частей.
Применение роботов в сочетании с ЭВМ позволяет:
ликвидировать нехватку в рабочей силе;
повысить производительность оборудования и труда рабочих
контролеров;
улучшить условия и безопасность труда, сократить монотонные и >томительные операции, вредные и опасные для здоровья
операции;
выполнять работы в труднодоступных для человека меаах
(морское дно, космос, топки, запыленные пространства, шахты
и т. п.);
улучшить качество выпускаемой продукции, уменьшить брак,
улучшить охрану окружающей среды и др.;
сократить простои оборудования, уменьшить цикл производства, увеличить количество смен;
осваивать новые технологические процессы, при1щипиалья0
не реализуемые при участии человека;
комплексно автоматизировать не только массовое, но и мелкосерийное многоцелевое и многономенклатуриое производство;
РоК""
освоения новой продукции.
2 раза они п ^ " " увеличивать производительность в .5;
Фект от в н е , п 1 '
лет, а э к о н о м и ч е с к и й эф-
^^^
массы, осуществляя более 1000 движений.
роботы второго поколения
Устройства
являются уже «очувствленныЧеловекотЛражения•оператор
мй». Д л я «очувствления» они
оостановки
звм
снабжены различными датчиками, выдающими информаКетмди»Задающие
цию о состоянии рук, предмерукоятки
ЛсяроЫц
тов и среды (рнс. 100). После
ПреоСраю
рооота
ктеяиинпреобразования сигналы обра^ыации
Т
батываются в ЭВМ и позволяют осуществить управление исполнительными
устройствами
Программное
цстройтйв
с учетом фактических ситуаций. В сравнении с роботами
первого поколения,эти роботы
обладают повышенной маневктройсяк Система
I
Чпрабяеиич
ренностью, имеют большее чияриШод
Летчики победами
сло сложных программ и позинформации
воляют управлять оборудоваРоВочие
нием, автоматизировать контI Ма11ипц/1тор
орган»
роль сборки и другие процессы
роИвел
в производстве с частым измеI
нением условий. Роботы третьВнешняя среда и
объекты манипудироЗатЯ
его поколения (интегральные
роботы) имеют искусственный
интеллект, высокую
степень Рнс. 100. Структурная схема роботовосприятия и распознавания технической системы
обстановки, способность выработки решений автоматического планирования и контроля операций. Эти роботы могут изменять свои действия (адаптироваться) под влиянием именения окружающей среды или под воздействием .команд от заданной программы. Они могут обрабатывать, собирать и испытывать отдельные виды изделий, управлять несколькими видами оборудования, контррльно-измерительными установками, следить за состоянием оборудования и
ходом производства, осуществлять учет продукции на различных стадиях производства, выполнять некоторые конструкторские, исследовательские и лабораторные работы и т. п. Адаптивные роботы могут определять параметры объекта и окружающей
среды, оценивать реальную картину, изменять последовательность действий.
2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
,
•
Робот содержит манипулятор и систему управления
(рис. 101). Манипулятор имеет основание 4, кисть 2 с захватным
устройством 3 и собственно руку
Основание « " Р е Д е л ^
бальные движения робота,
- региональные, т. е. конфигу
р у к и
169
Ряс. 101. Общяй 88Д робота сУнвверсал-5»:
а —«•••птитор; 0 —сжсгека яфаиекрл(/ —рука. 7 —кнсть, Л —захватное устро1ст*о; 4 —осаомие)
рацию и размеры рабочего пространства, кисть — локальные
движения. Захватные устройства могут быть механическими, вакуумными. электромагнитными (рис. 102—104). Система управления роботами может быть представлена следующими уровнями управления:
локальные управления отдельными исполнительными механизмами робота;
программы функционирования робота;
координация работы робота и автоматического оборудоваНИЯу
« о м ' г ^ Т " ! " " ' очередности и последовательности дейавЛ
контроль функционирования,
позвц^н^л^!!''^®^'"''?
работать по жесткой (цикловой,
" кмтурно-позиционной) и гибкой прональных'поГиЛ^ управления роботами включает ряд Фувки»;
сорнуТв
" ^ " Я " ' . воспроизведения и се'
Х ^ о с г н дейпвЛ^Г®"""
информация о последов '
Систем" п Г я ™ " ; » ^ ' " ! } " ^ ' ' "
выполнения операи •
Система
Централизованной и раздельно;
рабане) о К о
(на магнитной ленте нлй
грамма' « о « « воспрГз7ол,=»
контурном Управления. П .
«едовательностью °да" Г ы е ^ Х ' ^ ^ ^
и переменной
Гидроиишдр
Рис 102. Конструкции механических захватных устройств:
иыи рычажным механизмом; г - с приводом от г в ^ ^ ^ ^ ^ ( / - д л я захвата по ввешвеЛ
вв^евГе'пГ^^^^^^^^
« - с двумя подвижным»
«пальцами.-; к - с одним подвижным спальцем»
Сенсорные системы (рис. 105) служат Д^я измерения и о д н ки параметров окружающей среды и
та. Они м о г > обладать осязанием (с
позволяющими определять наличие объекта, его положение, ре
гулировать
усилие
захвата
объекта и др.), зрением (бесконтактное определение наличия объекта, его вид, положение, состояние), слухом (качественный состав звуков), прочими свойствами (наличие и
качественный состав газа, наличие магнитных полей, радиаЦииидр.).
Рис. 103. В а к у у м н о е захватное устройство
Ряс. 104. Элеггромагяитные захватные устройства:
а - ю ш с т р т и и *лепф0к1пжта; б — оСлегченвое ш я а т н о е устройство; в. е.
• м устровстм, соотигст^гям с олшшы, двумя и четырьмя магнитжми' /-деталь-
„1Г11,
г
,
мвгвль, г-
В качестве датчиков внутренней и н ф о р м а ц и и узлов робота
используют потенциометры, сельсины, р е з о л ь в е р ы , аналого-цнфровие преобразователи ( А Ц П ) , п р е д е л ь н ы е выключатели, фотореле. Общие технологические х а р а к т е р и с т и к и роботов: число рабочих органов, степень автономности, грузоподъемность, вид системы координат, число степеней подвижности, характеристикя
п о д в и ж н о с т и (скорость, переОбраввтяа тРорящ/циврАЧ)
м е щ е н и е ) , погрешность ПОЗЙУстроитВо
цпройяемия
"риЛЛн
П/тВрахбащ»
^
Система
яривоЫПР
ционирования,
тип
привода,
г а б ^ и т н ы е размеры, масса.
Для
построения роботов
часто используют типовые элементы ( м о д у л и ) , позволяюшне
компоновать большие интегр а л ь н ы е системы,
изменять
конструкции в условиях гибкого автоматизированного про!'''
водства, с о б и р а т ь роботы нУ*
ной к о н ф и г у р а ц и и (рис.
К р о м е с а м о г о робота в соста
робототехнического комплекс
в х о д я т у с т р о й с т в а ориеитаи
н поштучной в ы д а ч и де^з^ '
Рис. 106. Роботы, построенные по модульному принципу:
о ~ общий вид; б —робот в сочетавнн с фрезсрвым станком; / —унифнцнрованнвя каретка;
лгадуль линейного перемещения руки; 3 —модуль ротации кисти; < —унифицированное захватное устройство; 5 — модуль ротации основания
накопители д е т а л е й и т. п. Чем ниже технический уровень робота, тем более организованной должна быть среда, т. е. расположение и состав (изделия) предметов и орудий труда (оборудование).
3. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Системы управления формируют управляющие воздействия, о б р а б а т ы в а ю т сигналы сенсорных устройств и контрольно-диагностических данных, осуществляя принятие и выполнение решений в изменяющихся условиях. П о э т о м у 11евыгодно
использовать д л я каждого робота у н и в е р с а л ь н ы е Э В М
оолее
экономично применять малые ЭВМ и микропроцессоры как де
^"еоые, с т а н д ^ р п ш Е и малогабаритные с р е Д ^ а ^
^
О б щ у ю совокупность показателей микропроцессорного сред
ства робота м о ж н о разделить на три группы показателей.
1. ФУИКИНЛСТа ТТ1.111-10 ТГЛ1Г«|0!|ТРПМ-
173
п-трйггвие (время выполнения к о м а н д ) ;
"иХаль^
и число к о м а н д ) ;
^поиз?одительность в передаче н представлении дд.
/пгпаСчение разрядности и числа корпусных выводов).;'"»^^
^ ГбъГмТдресуемой памяти (предельно возможный объеч о,
новоеменносрабатываемой информации);
К^лизуемость вычислений (число внутренних регистров,
способы их адресаций, тип логических устройств. органиЦ;
"^"гибкостГи^н^^^^^^^
обмена
(характеристика ус^
оойств управления вводом-выводом);
^ модульноаь элементной базы (структурное разнообразие
микропроцессорной системы).
2 Показатели программного обеспечения;
гибкость и технологичность программирования;
трудоемкость программирования;
проаота отладки и контроля программ;
тип используемой технологии Б И С и д р .
3. Общие показатели:
габаритные размеры;
масса;
потребляемая мощность;
уровни напряжений источников питания;
типовая ч а а о т а синхронизации;
диапазоны показате.1ей;
стоимость.
Принципиально роботы должны иметь т а к у ю надежность, которая позволяла бы работать круглосуточно в течение года, что
обеспечивается высоким уровнем унификации и стандартизации
элементной базы, высокой технологической культурой производства, избыточно-модульным резервированием и развитием параметров запасных частей. Для этих целей наиболее перспективны У-МОП, О-МОП, ПЗС-структуры микропроцессоров.
Основные задачи системы управления роботами следующие:
выработка управляющих воздействий перемещения манипулятора. формирование модели внешней среды, п л а н и р о в а н и е траектории движения. В зависимости от удельного веса этих составляющих может изменяться структура будущего робота.
с«игТ
движения выбирают, исходя из т е х и о л о г н ч ^
ния м / н Г Г о "
предопределяющих требуемые ПОЛОА ;
л ё н и я п пемрп
" ускорения. В а л г о р и т м уп «
?об
"^"ипулятора долже1г быть заложен и ^
Уфавления. Формирование моде^
ритм управлёни» г
" " искусственного интеллекта. В алт
нию р о б о т Г в ? / ^ " " ^ " ^ ь заложены требования к повсГ
Р оота в экстремальных ситуациях. В зависимости от сло^
общего
алгоритма
НОСТП
функционирования
робота
выделяют несколько типов
систем управления, напри-
Симжрсгшратоо
X
I
Микропроцессор
(
'^^^снстемы указания точек
позиционирования в простД П 1ТТ
ранстве (измерительные роботы); основные требования
к ним — большая емкость
памяти и простота переобучения робота;
системы задания скороСхема'
яарашйьтго
сти 14ЛН ускорения при двивСода-Выбода
жении робота по заданной
траектории (контурная система).
В последнем случае робот может работать в организованной и неорганизованной средах с элементами Рис. 107. Базовый комплект модулей
искусственного интеллекта и
формированием
модели
внешней среды с помощью регистрации показаний датчиков. Основное требование к такой системе управления — возможность
решения сложных математических задач (матричных, дифференциальных и алгебраических уравнений), высокая производительность, возможность перестройки структуры для решения задач различной степени сложности.
Д л я реализации модульного подхода к проектированию микросхем необходим базовый комплект модулей (рис. 107), основой которого является схема на одной печатной плате, и набор
плат ввода-вывода с блоками параллельного интерфейса, цифровые и аналоговые входы и выходы, буферные регистры вход'лдх адресов, средства формирования внешних сигналов и все
логические и управляющие схемы по связи ' с процессорами,
ЛЦП или широтно-импульсным преобразователем 'с входным
буферным регистром данных. В базовом комплекте модулей преДусматриваготся т а к ж е платы для расширения памяти, содержа1Дие постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и запоминающее устройство с произвольной выборкой {ЗУПВ),
буферы
адресов, адресные дешифраторы, логические и управляющие
«^хемы параллельного ввода-вывода. При этом нужно включать
® базовый комплект платы специальных функций, выполняющих
арифметические операции, операции над числами с плавающей
запятой, умножения, преобразования Фурье и т . д . '
штшг
175
4. СЕНСОРНЫЕ ВИЗУАЛЬНЫЕ РОБОТЫ
Наиболее перспективно использование для
ческих целей роботов, имеющих возможность внзуал1.и
положения и качественного состояния контролируемы
Во многих системах визуальная информация от т
ной камеры, связанной с ЭВМ. обеспечивает
иий объектов и их пространственных отношений В
чаях используются упрощенные датчики
фотопрнемников), в которых изображение фнксипу.
большом числе точек рабочей зоны, поскольку частп
®
ется подробного анализа сцен и заранее известны м^"^
чающихся объектов. Таким образом, практически важно"""'^'
I
Вбод. груШ 'иатрицм
Сдвиг на
Запоминание обращоВик контц/хЛ
и система {У^^} (Ш'
Рис. 108. А.1Г0РИТМ ввода и обработки кзображспий
176
.гея задача определения массы объектов, их ориентации и коор.
инат среди неупорядоченного потока деталей, лежащих на коКЗ е р е . причем очень часто эта задача решается не в п р о с т р ^
® ве а сводится к двумерной задаче анализа случайных изобр а ж е н и й . Д а ж е в этом случае обработка информации является
?поЖНоА. Процесс восприятия робота имеет несколько этапов [81:
ввод в ЭВМ информации об изображении в виде матрицы
япкости размера Л^ХЛ^;
^ предварительная обработка этой информации (фильтрация,
п о д ч е р к и в а н и е границ однородных участков, выделение контуров силуэтных изображений, признаков и т. п.);
^ анализ изображений (выделение и классификация объектов,
о п р е д е л е н и е их координат и ориентации);
измерение заданных параметров объекта (осуществление
программы траектории движения считывающего луча, фиксация
результатов контроля, выявление качественного состояния объ^"^^управление действиями робота (удаление бракованных объектов, рассортировка на группы качества, выработка управляющих воздействий на технологический процесс).
Алгоритм, приведенный на рис. 108, показывает функционирование системы технического зрения робота в режимах обучения и работы. В режимах обучения роботу поочередно предъявляется весь набор возможных объектов, ориентированных стандартным образом, и указывается класс, к которому относится
каждый объект. В режиме работы полученные значения измерений сравниваются с образцовыми значениями и делается вывод о качественной
принадлежности объекта. Для движения
фо-^
в полностью или частично неизвестной
среде адаптивный робот должен собрать
о ней информацию, и после обработки
к
этой информации решить ряд задач, например, по оценке проходимости, выявлению препятствий, проходов, отбору нужных объектов по их характеристике
и т. п.
В ряде случаев для измерения характеристик среды используется дальнометРическая обзорпо-информационная система (ДОИС), тогда робот управляется от
мини-ЭВМ.
ДОИС (рис. 109) состоит из скани1 и
блока 2 обзора поверхности для кругового осмотра местности. На выходе дальноформируются углы аг, аз, «4, сигнал
рующего оптического дальномера
Ряс. 109. Схема ДОИС
177
дальности, сигнал уровня и сигнал, позволяющим опредед.
ложение юмере^
точки в секторе сканнрован„я
Ешор
направления измерения 5 определяется по
5 = Р - 2 ( Р , П)П.
где п - н о р м а л ь к сканирующему зеркалу; Р-направд
падающего на зеркало луча.
^
Тогда в системе координат, связанной с Д О И С , можно зап,!
сать в развернутом виде
^
I
5у=51п 2а1С05 Ог;
2С05^а1 005^02
(здесь для простоты учтены из четырех только два угла).
На каждом полупериоде заркала измерения (сканы) осущ?.!
ствляют колебания в 57 направлениях (по углу «1 через О,У),
Исходным представлением о среде является измерение сигнале!
дальности и уровня. Направление измерения определяется углами а1...а4. Значения углов поворота блока обзора поверхнош
и сигналы дальности и уровня пропорциональны выходным сигналам АЦП. Другие виды представления информации получаются из исходной (дальности и уровня) с помощью последователе]
ностн сканов, каждый из которых характеризуется изменением,
одного из углов блока обзора поверхности (угла развертки) пр11
неизменности других углов.
Другой способ представления результатов осмотра впсшз«
среды предполагает использование информационного поля ( ф
рического, картинного или декартового) с более сложными вычислениями. Подобный способ является эффективным при вроведении осмотров среды с различной степенью подробное
Представление информации о среде в сферическом поле характеризуется функций С(ф, т|)) со сферическими координатами:
<р=агс1е:(!5а1/5ша2)+аз;
соз 2а2 —
'
или через координаты отраженного от зеркала луча:
Представл ние в картинном поле характеризуется ФУ«2
вида
к ? / ^ " ^^ определяют н а п р ^ л е н и е
ристики как проходящее через заданную точку на
-ИННОЙ плоскости
вертикальная или горизонтальная картинна^г
'плоскость, «аходящаяся на расстоянии У? от места расположе^
„яя измерителя). Д л я вертикальной картинной, плоскости, перЛендикуляриои оси д:, собственная система координат
представление среды в декартовом поле осуществляется через г(х, у) — ко^ординату осмотренного участка поверхности Е
данной точке. Д л я построения координаты г(х, у) измеренную
дальность (I и направления измерений переводят в декартову
систему координат:
Картинное и сферическое поля удобны для анализа осмотренного участка при стоящем роботе (картинное поле более наглядно и для человека). Декартово поле допускает возможность
«склеивания» информации, полученной при осмотрах из одной
точки и при перемещении робота по горизонтальной опорной
плоскости, т. е. при осмотрах из различных точек. Однако при
измерении из одной точки картинные и сферические поля в
принципе будут заполнены целиком, а в декартовом поле могут
остаться пропуски. При операциях выделения препятствий области пропусков усложняют логику алгоритмов осмотра. Реализации рассмотренных алгоритмов представления информации на
микропроцессорах позволяют разгрузить управляющую ЭВМ от
рутинных операций и упростить вывод информации на управляющую ЭВМ.
5. МИКРОЭВЛг РОБОТОВ
Применение микроЭВМ в системах управления роботами позволяет:
строить универсальные системы управления за счет замены
внутреннего программного обеспечения;
повышать надежность системы управления;
^осуществлять управление в зависимости от состояния внешней среды;
расширить технологические возможности;
повышать производительность за счет сокращения времени
обучения и редактирования управляющих программ.
В системе управления осуществляются следующие операции,
операция
программ;
-м^^^лация ввода и редактирования
редактироиаиил рабочих -Г
— Г^
^яунятиого
устропства
установка рабочего органа или захнатного устропства вв залаиное положение;
расчет заданной траектории движения;
179
Рис. по. Зона действия манипулятора н зона вндяностн тмекамсры
Рис. 111. Схема пантогра4„Р^
манипулятора
учет динамических параметров;
прием и обработка сигналов от датчиков робота;
прием и обработка сигналов от внешнего технологического
оборудования и устройств управления им;
связь с центральным устройством управления более высо1>
го уровня;
самодиагностирование систем управления и робота.
Известны два основных варианта алгоритма обработки иформации, используемой для управления роботами и полу1?еа
ной от датчика, неподвижно закрепленного над зоной действа
робота, и от телекамеры, расположенной на захватном устро5
стве или запястье манипулятора н являющейся датчиком сааонаведения на объект измерения. Зона действия двухступенчатого пантографического манипулятора (рис. 111), работающего!
цилиндрической системе координат, показана на рис. ИО.Свяа
между декартовой системой координат камеры и цилиндрической
системой координат робота определяется соотношением
где
и УЕ —координаты точки в системе координат камеры
фу, /<* —координаты точки в цилиндрической системе коор№
нат; лго — координата середины зоны видимости по оси х;
чальное смещение по оси у.
Используемый манипулятор имеет две степени подвяж»
" выдвижение. Выдвижение Я выполняется^'
величины связаны между собой соотношением (см. рис. 111)
где
Р=агс51п{/?/(2а)),
длина одного звена манипулятооа
теле'^кам'еГ'Ло •
точки
на миштелекамеры с координатами степеней подвижности робота. буДУ^
?лг==агс12
180
г)
2а 003 ^^
я качестве датчика визуальной информации в комплексе
.пользуется стандартная телекамера, входящая в состав минитюоной телевизионной установки. В качестве управляющей выислительной машины в комплексе использования микроЭВМ,
состав которой входят микропроцессор, оперативное запомина!.тее устройство, А Ц П , внешняя память на гибких магнитных
йсках, операционная система.
^ В схеме управления с телевизионной камерой, используемой
„качестве измерителя координат (рис. 112), видеосигнал поступает в блок предварительной обработки информации, где выделяется информационная часть. Затем выделенный видеосигнал
квантуется по уровню, дискретизируется по времени и подвергается цифровой фильтрации. При квантовании уровень сигнала
при наличии объекта в поле зрения соответствует единице, при
его отсутствии в поле зрения —нулю.
Дискретизация обеспечивает разделение изображения на 2'®
отдельных элементов.
Ц и ф р о в а я ф и л ь т р а ц и я позволяет исключить из поля зрения
помехи, з н а ч е н и е которых меньше наперед устанавливаемого
порога.
В блок определения координат центра объекта и его краиних
точек поступает массив симвоВидеосигнап с
лов (1 или 0). Вычисленные
телекамеры
значения координат заносятся
в промежуточные регистры памяти.
Затем ЭВМ разрешаетБ/10К предваригпеАьиой одраоотки
ся проводить опрос регистинформации
ров.
На первом этапе в блоке
программы'
преобразования
Блок аппедепения
координат центра оВг
осуществляется
пересчет коорета и его краиних тек
динат центра объектов, вычисПрограмма преобразования координат
звм
1
Це/и упраОпе- „
пий, огрони'кно
*
Подпрограмма соп- Подпрограмма
ряжения ЕНКОН сопряжения АиР
^
Преобразователь
код-ШИМ
ЗЕ
\мнатр\
^ Регулйтар
®
ОЦект
^Ьпения
Л2Е31
Ннрпрпащиан-
Датчик
положения
С привод
112. Структурная схема управроботом
но-измерит-*
^ АЗаптотор](Ср-V пьная
состема
г-Эстиматор —
Рйс. 113. Структурная схема робота
с адаптивным управлением
181
ленных в декартовой системе координат, в Цнлиндр„,
оГинаты робота, по формулам, приведенным выше. Н а >
Т п е с помощью подпрограммы А С Р вычисляются погре>
"ежду заданными и действительными положениям,,
где ® й — дейавительные координаты приводов робота
Поапе преобразования сигналов погрешностей в прямой,
ичный код в подпрограмме ЕККОК он выдается на преобпаз!'
тель код-ШИМ. с выхода которого сигнал управляет приз?
ступени подвижности робота. Эти приводы содержат уснлиь
мощности, два двигателя постоянного тока и волновые реду,^
ры. Датчик положения измеряет текущие выходные координа!
приводов и соаоит из потенциометра и А Ц П , входящего в кощ
леке вычислительной машины. Телекамера может работаты,
режиме самонаведения и осуществления захвата объекта.
Микропроцессоры и микроЭВЛ\ находят все более широ1«
применение при управлении технологическими процессами, сиз^
ками, измерительными машинами, терминалами, транспортяыц
средавами. Они обеспечивают высокую надежность, быстроде
ствие, функциональную гибкость и адаптивность при одноврь
менном уменьшении стоимости, размеров и потребляемой эйе^
гин по сравнению с универсальными ЭВМ.
В систему автоматов (роботов) адаптивного управления в*
дят программатор, эстиматор, адаптатор и регулятор (рис, ИЗ
на вход которых поступают сигналы обратной связи, формнр)!мые информационно-измерительной системой. Затем управляо
щие сигналы подаются на исполнительную систему. При алгоритмическом синтезе адаптивного автомата управления в»
первом этапе, исходя из граничных условий, программаторпоснг;
налам информационно-измерительной системы строит програи;
миое движение, гарантирующее достижение цели. На второк
этапе осуществляется синтез регулятора, исходя из услоай
обеспечения требуемых свойств переходных процессов в замкв'
той робототехнической системе. На третьем этапе осуществлю'
ется синтез эстиматора, реализующего вспомогательные условв
характеризующие качество переходных процессов. На последнее
алгоритм адаптации.
микропроцессорных средств управления ро
м е т Г Д . . " " " средствами включает п о с т а н о в у задачи и а^^
«ь.бор микропроцессоров и и^Р
Гакетипп»?и^'''У программного обеспечения, моделирование
макетирование, испытание и доводку системы.
'
^ ,
:6. ОБЛАСТИ
,
РОБОТОВ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
•
; 1
•
'
•
.
Измерительные роботы в сочетании .с ЭВМ позволяют
ликвидировать нехватку в рабочей силе, сократить утомитель«е в том числе ночные, операции, выполнять работы в трудмодоступных и опасных для здоровья человека местах, ускорить
лгвоение контроля новой продукции. Одной из распространен^ х областей использования роботов является отбор из группы
неподвижных (рис. 114, а) или перемещающихся (рис. 114, б)
леталей только определенного наименования для последующего
их контроля на данной измерительной позиции.
Другой областью использования роботов является рассортировка. Так, на рис. 115 показана схема робота-рассортировщика
проконтролированных изделий при большом числе групп качестъг, определяемых различным сочетанием параметров годности
я брака. Проконтролированные изделия подаются в зоны захвата руки 2 робота 3 транспортир^ующим диском 1 (рис. 115, а).
ЭВМ запоминает результаты контроля всех параметров изделия
и управляет, движением робота, который сбрасывает изделие в
нужный отсек приемника 4. В данном случае отпадает необходимость в установке многочисленных заслонок и приводов к ним,
направляющих изделия в соответствующий отсек,
Как видно на конструктивной схеме (рис. 115, б), этот робот
осуществляет захват детали без предварительного: задания ее
координат и затем производит доставку ее в заданную точку,
осуществляя тем самым ее рассортировку [31. После запуска
робота от пульта управления 2 приводится в действие привод 13
продольного перемещения манипулятора 10, который перемещается до тех пор, пока не сработает фотореле, состоящее из осветителя 4 и фоторезистора 3. Это фотореле по отражению света
обнаруживает наличие детали между губками 5 и 7 захватного
устройства
манипулятора.
По
сигналу фотореле привод 13 отключается и включается привод
12 поперечного
перемещения.
Привод п е р е м е щ а е т кисть захватного устройства д о тех пор, пока
деталь не о к а ж е т с я м е ж д у губка5 и 7 и н е произойдет затемнения ф о т о д и о д а , ф о т о р е л е 6. З а тем в к л ю ч а е т с я п р и в о д 9 сжатия
^исти и б л о к к о м м у т а ц и и . Датчик,
^^ д^^зритных р а з м е р о в захвачениио
ч е р е з схемы сравнеНия вводит н е о б х о д и м ы е программы с к о о р д и н а т а м и точек
Рис
114. Виды расположений
ющихся
183
"Л
0зкоЯ
преобразоав'
теля 7 к и з м е р и т е л ь -
•••••••а
••••••••
йой базе спутника, а
затем осуществляет
контроль
изделия в
точках.
70.
Ж
Результаты контро'
N
ля фиксируются с
5 6
одной стороны
в
г
1
блоке записи 9, а с
другой — в
блоке
I
I
индикации 10.
Наиболее
сложны робототехнические комплексы,
ко- Рис. 117. Схема измерительного робота со спутторые не только вы- никами
нз
общего
.пРЙVе^1ые"изделия, но и затем находят в строго фиксипотока
Измерительное средство, подносят его
Рис. П5. Робот-рассортнровроваиных местах
И количественную
шяк:
\ изделию и осуществля^^^^^ Г ц ^ Г ю Т р о щ е н и я конструкции
а —схематнчсскос •10вр1жевие: б —
обш>к Ей
оценку параметров изделия^ такие и^ерительные средства
захватных
элементы. С общим раздоставки детали. Д л я этой цели с л у ж а т т а к ж е датчик 1 прода должны иметь типовые
оданных ЭВМ и микропроного и датчик 11 поперечного положения манипулятора Ю.Ь витием робототехники^ специа^ ппЛлтпв в измерительной технида заданное положение кисти будет достигнуто, приводы ода цессоров область использования роботов в измерительной
чаются, деталь освобождается, и цикл перемещения робота к ке постоянно расширяется.
торяется.
На рис. 116 показана схема измерительно-транспортного
бота 3. который снимает изделие 5 с транспортирующего устр»
ства 4 и подает его на измерительную позицию 2. Затем под»
Дйт к изделию головка 1, несущая р я д преобразователей, ос)I^
ствляющих по заданной программе контроль в заданных точка
Иная схема построения и иные з а д а ч и решает измеритель?^
робот (рис. 117) со спутниками. И з д е л и я / различной кон$№
рации располагаются на спутниках 2, которые перемешзк^^
транспортирующим У^^г
вом 3. П р и установлении^
ника с изделием в заданна
л о ж е и и е к нему п о д * ^
хватное устройство 4
.
/о
о
навливает его на
о
зицию 5. Затем автомат" I
г
о
=Ц=
подводятся головки заз ^
измерительные преобраз" ..
ли 7.' В зависимости о^^
контролируемого "З-Д^^р^ яР^
траисропроцессор 8 уп[
V
Тт
184
ГЛАВА
7
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ
УСТРОЙСТВА СИСТЕМ
А В Т О М А Т И З И Р О В А Н Н О Г О КОНТРОЛЯ
I ОСОБЕННОСТИ М И К Р О П Р О Ц Е С С О Р Н Ы Х СИСТЕМ
АВТОГЛАТИЗИРОВАННОГО К О Н Т Р О Л Я
При разработке систем автоматизированного конц^
ля часто встречается необходимость в использовании вычвс;!.
тельных устройств. В некоторых случаях роль таких устройсп
могли играть простейшие механические, электрические или пне^
магические аналоговые и, реже, дискретные вычислительшв
устройства. С развитием измерительной техники все чаще од
возникать необходимость в проведении более сложных расчяс^
требующих использования Э В М . Часто это вызывало больша
затруднения, так как разнообразие устройств измерения и ш
роля и, следовательно, алгоритмов обработки результатов яз^
реннй требовало применения достаточно совершенных универсальных Э В М . Использование д л я расчетов Э В М вычислите
ных центров требовало непрерывной связи контролирующее
устройства с таким центром, что неудобно, а в ряде случаев»
возможно.
Задача использования вычислительных устройств в снстемд
требующих изменения алгоритмов обработки результатов зада
ров, была решена созданием микропроцессоров ( М П ) и основа!ных на их применении микропроцессорных измерительай
устройств.
Отличительной особенностью М П являются широкие!
циональные возможности и универсальность применения. ОС»
Динение М П в измерительном приборе с блоками п а м я т и нС»
ками ввода-вывода информации практически разрешило задн
объединения измерительных и вычислительных средств,
Появление микропроцессорных измерительных систем 0
ооров обусловило новое направление развития приборостро^
и потребовало нового подхода к проектированию И эксплуата
таких приборов. Их основной особенностью является про^
цесД
" возможность перепрограммирования в Г
яГляютг
^
Их положительными ка^ес^
костьТЛ
«-збаритные размеры, высокая н а д е ж н о й ^
ных д а н н ы й ' ' ' " " требуемого алгоритма обработки измерв^ ^
192
Применение МП в автоматах контроля позволило решить
,дачи их многофункциональности, повышения точности и нанежности контроля, расширить возможности, в ряде случаев
УПРОСТИТЬ и облегчить управление и настройку автоматов, ввести
в алгоритм работы автомата получение математических функций
пт измеренных величин, получение статистических характеристик Использование типовых МП позволяет сократить трудоемкость разработки и проектирования автоматов контроля и организовывать на их основе системы автоматического контроля.
Однако применение микропроцессорных устройств в автоматах контроля не всегда оправдано. Их нецелесообразно, например, применять в следующих случаях:
если необходима.очень большая скорость сложной математической обработки результатов измерений по стабильной
программе;
если в процессе эксплуатации контролирующего автомата не
требуется введение коррекции или изменение программы;
для построения системы контроля невысокой сложности.
Для обоснования целесообразности разработки микропроцессорной измерительной системы или прибора обычно рекоменду- .
ется использовать алгоритм, показанный на рис. П8. Конечно,
использование такого алгоритма не всегда позволяет получить
четкий ответ на вопрос о целесообразности применения в приборе микропроцессора. Только требование к перепрограммировааию и расширению функциональных возможностей прибора в
процессе его эксплуатации четко определяет необходимость разработки микропроцессорного измерительного устройства. Все
остальные критерии относительны. Так, например, при современном состоянии техники считается, что МП не могут обеспечить
быстродействие более нескольких миллионов операций в секунду. МП нецелесообразно применять, если их можно заменить
системой, содержащей не более 20—30 БИС с «жесткой» программой. Однако с течением времени, вследствие разработки новых серий Б И С эти критерии могут изменяться.
Следует учитывать, что применение быстродействующих
управляющей логики и памяти усложняет отладку измерительных микропроцессорных устройств, так как при отладке необхо- ,
Димо соблюдать критические временные соотношения. Кроме того, с повышением тактовой частоты в измерительном тракте
увеличивается уровень наводок и помех. Поэтому всегда следует
®"бираЬ МП с минимально необходимым быстродействием.
' При выборе МП необходимо также учитывать и другие характеристики БИС, приведенные в табл. 5.
•
К р о м е М П , в с т р а и в а е м ы х в измерительные приборы приме-
^«^тся т а к ж е и универсальные микроЭВМ: «Электроника^^С5.
^.Электроника-бО)>, «Электроника НЦ-03Т^
«^ЭФ-Ормика»
«Электроника КМО)> и др. В трех последних из ука
187
Таблица 5
Характеристики микропроцессорных БИС
Тип микропроц;
БИС
К536ИК1
К580ИК80
К581ИК1
К582ИК1
К583ИК
К584ИК1
К587ИК2
К588ИК2
К589ИК02
Разрядность,
бит
8*
8
16
4
8*
4*
4*
16*
2*
Быстродействие,
время
цикла,
икс
10
2
1.6
1.5
1
2
2
2
0.1
Число
команд
(никрокомвяд)
168
III
84
(512)
(256
(512)
Число
регистров
общего
яаэвячеВИЯ
(420)
6
8
8
16
8
8
16
(228)
10
168
Напряжепае
пнтанн,
В
Ток
потреб
ленив,
МЛ
-24
±5, +1.2
±5. +1,2
1.2
1.2
1.2
+9
+5
-5
120
300
Потреблявмая
мощвостъ,
кВт
750
900
140
5
5
750
Возможно наращивание разрядности, кратно указанной.
195
способы синхронизации. Поэтому при разработке и выпуске основной Б И С д л я микропроцессорных систем разрабатывают и
выпускают наборы БИС, совместимые с БИС основного процессора. .Так, например, в состав набора БИС, совместимого с про«
цессорной Б И С К584ИК1, входят следующие БИС серии КР583:
универсальный процессор КР583В(^1;
инкрементный процессор КР583ИК1;
логический процессор КР583ВМ1;
коммутационный процессор КР583КП1:
магистральный коммутатор КР583ХЛ1;
магистральный приемопередатчик с памятью КР583КП2;
магистральный приемопередатчик КР583КПЗ.
В состав серии Б И С , совместимой с процессорной БИС
К580ИК80, входят:
^^^^^
программируемый интерфейс параллельный К580ИК55;
программируемый интерфейс последовательный К580ИК51;
программируемый таймер КР580ВИ53;
программируемый контроллер прямого доступа в память
. КР580ВТ57;
программируемый контроллер прерываний КР580ВН59;
^^р^Рог^а^ммируемый контролер электронно-лучевой труоки
шинный формирователь без инверсии К589АП16; .
• Шинный формирователь с инверсией К589АП26;
, Многорежимный буферный регистр К 5 8 Ш Р и ;
"лок приоритетного прерывания К589ИКИ.
Построение микропроцессорных систем основывается ь
гистральном принципе, т. е. модули объединяются в одГ''^
МУ с помощью общих магистральных шин. Это п о з в о л я в
пять состав и количество периферийных устройств н реа!
^ р о к й й набор алгоритмов обработки измерительны*
Микропроцессорная система взаимодействует с внГ'^
устройствами с помощью периферийных устройств, такит •
аналого-цифровые преобразователи, цифроаналоговые п о ^
зователн, телетайпы, устройства считывания и т. д. Дляпо>
чения к системе каждое устройство ввода-вывода должно
схему сопряжения, называемую интерфейсом. В качестве ^
ройства интерфейса используют унифицированные интерфейс!!;
БИС
Рассмотрим построение простейшего микропроцессопав
основе процессорной БИС К580ИК80 (рис. 119). Так каЛ
БИС является динамическим устройством, то для ее работав
обходимо подключение внешнего генератора тактовых импул
сов ГТИ. Питание схемы осуществляется от источника пвтанц
ИП с постоянными напряжениями + 5 , + 1 2 и —5. Кроме топ
необходимо вю1ючить в микропроцессор блоки памяти ВП^ш
да-вывода Б/В. После подачи напряжения питания микропроцессор необходимо вернуть в начальное положение, для чего в ней
должен быть подан сигнал сброса. Доступ к программе, рас®
ложенной в БП, осуществляется обращением последовательно!
ячейкам памяти путем подачи на шину адреса ША сигналов от
счетчика команд. Данные из БП выводятся на шину данных Щ
В качестве устройства ввода-вывода, прерывателя, буфер! •
го регистра памяти и внешнего регистра счета при БИС
К580ИК80 можно использовать многорежимный буферный р^
гистр К589ИР12, а для построения двухнаправленной шиныдгнных —шинный формирователь К589АП16. Д л я осуществлена
ввода-вывода можно использовать Б И С программированнога
периферийного интерфейса общего назначения К580ИК55.
этом случае программирование интерфейса осуществляется с
помощью программного обеспечения Б И С К580ИК80.
при работе измерительных приборов иногда нужно дела^
перерыв в программе основной работы устройства и подавз^
управляющие
команды
СНГВ!'
проводить
вычисления.
ША
•у^ прекращения основной рао^^^
и перехода к подпрограм»'^
служивания называют за^^^
5лоя
вп
МП
Сброс.
сом прерывания ил^^аор^^^^
В/О
на обслуживание.
ГТИ
196
1ЁА.
>
Рис. 119. Схема
процессора на основе ьии ^
,,ого запроса может служить устройство ввода-вывода. В частИМ может быть программируемый контроллер прерываний
%180ВН59, осуществляющий обслуживание внешних устройств
запросу прерывания программы. Аналогичное назначение
1еет блок приоритетного прерывания К589ИК14.
2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ
УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ
п р и проектировании микропроцессорных устройств
контроля прежде всего уточняют цели применения этих устройств. Затем выбирают принцип действия измерительной или
контролирующей части автомата с микропроцессором. При составлении структурной схемы микропроцессорной части следует
учитывать, что д л я решения поставленной задачи должны быть
использованы типовые микропроцессорные БИС, запоминающие
устройства и другие блоки.
В отличие от ЭВМ в микропроцессорах обычно применяют
полупроводниковые запоминающие устройства (ЗУ), так как они
в отличие от ЗУ на магнитных дисках, лентах и других не приводятся в механическое движение и имеют значительно большее
быстродействие. Недостатком полупроводниковых ЗУ является
небольшая емкость памяти. Поэтому при разработке микропроцессорной части автомата следует по возможности сокращать
требуемую емкость памяти, используя для этого специальные
программы. В качестве примера такой программы можно привести алгоритм определения статических характеристик партии
изделий контролируемой продукции, например математического
ожидания. Оценку математического ожидания позволяет получить следующая формула:
N
N
XI.
7^1
1 Однако использование данной формулы для построения а л г ^
|Ритма нецелесообразно, так как в этом случае потребуется
1С большой емкостью памяти, сохраняющим все результаты измерений
что особенно сложно при большом числе N изделии в
"артии. Этот недостаток алгоритма-можно исключить, заменив
^Приведенное выражение другим, вида
I
•
191
которое позволяет в основу алгоритма положить выражение
В соответствии с этим выражением текущую оценку мат»,
тического ожидания Л', можно получить па основе предыд'^:
оценки
и 140 результата измерешт дгс. Д л я р е а л и з а ц Д
кого алгоритма не требуется большой емкости памяти, так
на каждом этапе вычисления в памяти должны находиться тол?
ко значение предыдущей оценки и число проведенных измерений
Кроме того, такой алгоритм позволяет непрерывно в реально,
масштабе времени п о жять значение оценки математического
ожидания. Алгоритмы, позволяющие проводить вычисления в
реальном масштабе времени с введением поправок на вновь полученные результаты измерений, называются рекуррентными.
Различают регистровую память, встроенную в состав БИС
центрального процессорного элемента, оперативную память
(ОЗУ) и постоянную память (ПЗУ). В качестве последней обычно используют БИС. Так как информация в ОЗУ находится Е
виде электрических сигналов, то при отключении питания она не
сохраняется. Это вызывает необходимость после выключения
контрольного автомата с микропроцессором изымать из него все
изделия, проходящие контроль, и подвергать их снова полному
циклу контроля.
Если память выбранной Б И С мала, то приходится объединять несколько БИС. Наилучшей является магистральная схема
объединения. В ней БИС объединяют с помощью шин данных
(ШД), адресной шины (ША) и шины управления (ШУ), которые стандартны для большинства микросхем и, в частности, для
К580ИК80. В этом случае емкость ЗУ ограничивается разрядностью адресной шины. В табл. 6 приведены данные отечественных
БИС ОЗУ статического типа, не требующих периодической регенерации информации.
В качестве примера рассмотрим Б И С ОЗУ К134РУ6. Ее информационная емкость 1024 бит, организация 1024 словХ! Разряд с полным дешифратором адреса (рис, 120). Д е ш и ф р а т о р
состоит из дешифратора Дш строк и Дш столбцов на пять ъмдов и на 32 выхода каждый. Матрица накопителя имеет объе«
^2X32. Есть две согласующие схемы Р, устройство управления
записью-считыванием (Зл-Сч) и хранения информации, разряД'
^ и и ^ м Т ^ ' ' ' " записи-считывания и
схема на три сост
Информация для записи поступает на вход ВхИ. В завнсн
п п ^ ^ сигналов управления, поступающих па вход Зп-^^
вхо!
" и т ы а а н и е или хранение информации.
РассмотпГ'"''
дешифраторов.
.
койТо?V Л " построение модуля ОЗУ на Б И С К134РУ6. В ^
кой модуль входит накопитель, состоящий в нашем случае
в
192
ы
х
о
д
н
а
я
Таблица 6
Характеристики БИС ОЗУ статического типа
Органа*
Эвцня.
бит
Обозначение
1024
16X4
64
256
64
256
256
256
256
1024
256
1024
1024
4096
256
4096
1024
К134РУ6
К155РУ2
К155РУЗ
К176РУ2
К185РУ2
К185РУ4
К188РУ1
К5(ЮРУ410
К505РУ4
К505РУ6
К527РУ2
К527РУЗ
К527РУ6
К541РУ1
К564РУ2
К564РУ4
К565РУ2
Время. ВС
считывания
280
30
45
650
ПО
записи
500
30
45
920
200
600
300
1000
950
700
600
1000
200
500
450
300
50
Потребляемая
мощность,
мВт
6
250
250
5.5
520
650
400
350
750
500
500
450
+5
+5
+5
[+9
+5
+5
+5
550
400
1000
200
Напряжевие
питания,
В
20
40
500
-1^+5
+5
- 9 . +5
+5,"^12
+5
+ (8-15)
+5
+5
64 микросхем К134РУ6 с организацией 1024 словХЗ разрядов,
согласующие схемы кода адреса ССА (рис. 121), дешифратор
Дш на восемь выходов, согласущие схемы по цепям входной и
выходной информации СС. Модуль требует одного источника
питания на 5 В мощностью 31 Вт.
Постоянные запоминающие устройства ПЗУ в отличие от
ОЗУ являются энергонезависимыми. В микропроцессорах их
ЛвргС
а
>
г
4
8
16 /г
Дшста^Ы
11
\
Лиг
Е
Накопител»
Л.
и.
II
V
УпярЫкшк
УстройстваРйзрядныг
ВиМайыгоЗ
уситтгли
упройягния
»дг
Шиы*
Зп'Ся
Зп-Сч
Рис. 120. Функциональная схема микРосхемы К134РУ6
7-185
ССА
т
вШ* Г024шв
Ю24ш8
йкг 102*^
в/а
вк* ЮНш8
ВК5 1024'в
ВК6
'Л
ВК7 Юги
1024 >1
I СС
I
Рис. 121. Функциональная слема ОЗУ
193
«гппльзуют главным образом, для храпения программы ал.
п и Г а оабо^^ коррекции погрешностей, линеаризации хар^/^^
преобразователе и т. д. По виду запи ^
С а ц и и ^ р " личаю? п З У с программированием в „
путем нанесения контактных перемычек, выж?
ния пер^^^^^^^^
пробоя р - л - п е р е х о д а . Такие програм:
е м ^ ПЗУ (ППЗУ) не допускают после изготовления изчЛ"
ниГзаписанной информации. Завод-изготовитель закладывает,
них информацию в соответствии с трсбовашшмн заказчнка '
Существуют репрограммируемые ПЗУ (РПЗУ) с элсктркче.
ским программированием и стиранием с помощью ультрафиол^.
тового излучения или также электрическим способом. Кроме то.
го есть электрические ППЗУ. которые потребитель может прог.
пережигая нихромовые перемычки один раз за
все время эксплуатации. К ним, например относится ППЗУ
К565РТ4 с информационной емкостью 1024 бит (256X4).
ПЗУ для контрольно-измерительных автоматических систем
должны изготовляться в соответствии с задачами, решаемыин
нми и заданными алгоритмами. Однако в некоторых случаи
могут использоваться ПЗУ. выпускаемые серийно для других
и е л к : К155ПР6 и К155ПР7, предназначенные для преобразования кодов, К155РЕЗ. используемое в знакогенераторах в устройствах индикации. К505РЕЗ, служащие для генераторов тригонометрических функций, и др.
Рассмотрим в качестве примера П П З У модуль (рис. 122),
выполненный на БИС К505РЕЗ с информационной емкостью
р
а
м
м
и
р
о
в
а
т
ь
,
м
и1р
Вк-Зп
I
Ап^а
4
Вр
Ряс. 122. Функциональная
схема модря ПЗУ на микросхеме К505РЕЗ
200
ДшХ
Рис. 123.
схема микросхемы
с»
С12 байт (512X8), запись информации па которой осуществляемся заводом-изготовителем по индивидуальным картам заказа
Ш рисунке СС —согласующие схемы).
^ Модуль состоит из 32 микросхем К505РЕЗ. При объединении
этих микросхем по входам и выходам надо учитывать только
ьмкостиую нагрузку, так^как их входные токи утечки очень малы.
Исходя из максимальной емкостной нагрузки микросхемы в модуль включены четырьмя группами по восемь микросхем в кажд о й . Так как выбранные БИС по входу и выходу не согласовать!^ то каждой группе БИС придана согласующая схема, а группы объединены по схеме ИЛИ.
В качестве примера РПЗУ рассмотрим модуль, выполненный
на микросхемах К573РР1 (рис. 123). Стирание информации в
таком модуле производится ультрафиолетовым облучением. На
входы дешифраторов ДшХ и ДшУ поступает адрес считываемого числа в 10-разрядном десятичном коде. Старшие разряды
(/44
^э) выбирают одну из 64 строк заполняющей матрицы.
Емкость каждой строки 128 бит. Дешифратор ДшУ выбирает
из этих 128 бит группу из 8 бит, на которые разбита строка.
Выбранная группа информации через выходные буфера поступает на разрядные шины 01р, .,., Увр.
После стирания информации по всем адресам записана логическая единица. Поэтому при записи в выбранных ячейках матрицы должны быть записаны нули. В режиме записи на вход
Вк—Зп подают + 1 2 В, а сигналы информации на шины 1Лр,...
..., ЫЗр. Затем формируют код адреса и числа и подают программирующий импульс 25 В длительностью 100 мс. Модуль РПЗУ
на 16 К байт, собранный на таких БИС, должен содержать
16 микросхем К573РР1. Схема содержит накопитель Я, вентиль
В и выходные устройства ВУ.
3. О С Н О В Н Ы Е О Б Л А С Т И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
М И К Р О П Р О Ц Е С С О Р О В В СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ
Применение микропроцессорных систем контроля позволяет объединять приборы, выполняющие различные функции,
в одну контрольно-измерительную систему. В результате совершенствования микропроцессоров и увеличения числа выполняемых ими функций стали появляться универсальные многофункциональные системы — мультиметры. Так, например, использование микропроцессоров в электрических мостовых контролирую"^их устройствах позволяет при контроле получить на выходе
такого устройства одновременно данные о емкости, сопротивлении утечки, тангенсе угла потерь конденсатора и катушки индуктивности, активном и индуктивном сопротивлениях, а также
добротности катушки индуктивности. Микропроцессор может управлять временем измерения, осуществлять выбор диапазона
195
угл'Л-'^'^^. в и - г ^ ^ ^ ь
фуякаия и^гтсрфеиса. Крсует,.,
ззтаблокирогку.
самоляагйссгг.;^'
аТпШ'^^^сху/л акзллз. 1И)р?<кяию ухода иуля, л г з е з ' ^ ^
х^акг^^ис-т)!* кзмеритмьйих пр^образозателей.
/игбритиы
устр<»йсгва контроля с поис:::^^^^
СШк рЗЗйЫК ПО ВНутреЯЯйИ И
- в ОЗУ. л
и, сгхлЕ^стгеино, п о в и в а е т с я точность язиерезг^^
Яри алтоматимсской коррекции смепения нуля заачеялеэ-г^
гг>сиеш«нйяхраййтся в ОЗУ микропроцессора и вычатгетс,»
изиереиий, В соответствии с программой перед ^
измерением или определенной по объему группой измеревий
я ОУУ кпу/лигся смещение нуля при отсутствии измеряемой велнна т о л е иэмсрительного устройства, т. е, при ее равенства
Коррекция нуля позволяет значительно снизить требованих к блокам измерительного устройства, сократить число юшролочпых операций и выделить систему управления юстировоч
ними операциями » стлмний
блок-модуль, который можно
лгггсгопать отдельно ог прибора или контролирующего устройста.
1!н1е больше позволяет уменьшить погрешности измерений
рггулиропкп
чуистоительности, сопровождающая юстировку
усгройсша. При п о м устраняется аддитивная составляющая по1рен1н1)сти, с(ютйстствующая смещению нуля, и мультипликативияй состпиллющая погрешности, соответствующая первому члену
цшложеиии функции преобразования. При отсутствии коррекция
смсшгмия нуля и юстировки функцию преобразования можно
пррдсгппит!. п пиле
У- 6 >
Д + — ^ I
л + А з ^ с ^ + .
где дг и // — сигналы на входе и выходе прибора; Д —смещение
—зиачсния входной и выходной величин, соответсп«\>ми1гх испольэусмоП при юстнровке образцовой мере.
при коррекции нуля устраняется аддитивная составляющая
"огретпостн Л. а при юстнровке и использовании линейной шкали или липсПпоЛ .градуировочной характеристики исключается
мульпшликатионая составляющая погрешности
с отклонением чувствительности прибора 5 от ее но
мнмлльиого значения
погрешности стано«игся
где коэффициенты
к^,
... соответствуют режиму, при котором 5=«5и.
При автоматической самопроверке (диагностике) системы
контроля в память микропроцессора вводится программа, определяющая порядок тестовых испытаний. При этом на функциональные аналоговые блоки системы подаются контрольные сигналы, а в блоки обработки дискретной информации —кодовые
комбинации, соответствующие определенным режимам работы
системы, и производится сравнение сигналов,, получаемых на
выходе системы или в других ее заданных точках, с номинальными. На основе этого сравнения микропроцессор по заданной
программе получает сигналы, которые выдает через устройство
ввода-вывода оператору, причем эти сигналы уже в явной форме
определяют вид неисправности и ее причины.
Повышение быстродействия устройств контроля за счет применения микропроцессоров позволяет в ряде случаев переходить
от единичных измерений к многоразовым с последующей статистической обработкой результатов, а это повышает точность измерений и снижает влияние шумов и помех, определяющих, главным образом, случайные погрешности при автоматических измерениях и контроле.
, Предположим, что устройство контроля встроено в автоматическую линию. В этом случае ритм работы устройства контроля
должен соответствовать ритму работы автоматической линии.
При уменьшении времени измерения за счет применения микропроцессора от значения, равного периоду выхода изделий с автоматической линии тл, до значения т за период выдачи объектов с
линии можно провести л=(тл—ТсО/т измерений, где Тст — время, необходимое на статистическую обработку результатов отдельных измерений. В результате такой статистической обработки случайные погрешности системы контроля уменьшатся в
У Ъ раз.
4. Ф У Н К Ц И О Н А Л Ь Н Ы Е И СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ
М И К Р О П Р О Ц Е С С О Р Н Ы Х УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ
I
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные
случаи использования микропроцессоров в устройствах контроля, на основании которых можно составить их функциональные
и структурные схемы по техническому заданию.
В программируемом контрольно-измерительном приборе с
микропроцессором в качестве центрального управляющего устройства (рис. 124) программа вводится с клавиатуры К или
другого устройства в микропроцессор МП, который управляет
логическими схемами СУЛ, обрабатывающими входной сигнал.
Управляющее входное устройство УУВ переключает входные
^^епи сигналов х.и
Хг с помощью входного коммутатора Дй.
[ /С
I
уув
—
МП
1
СУ/1
—
Рмг 124 Стр^туряая схема программй^уеуого контрольяо-нзмернте-иного
прибора
ПАП
XМП
Ь
Рис. 125, Схема автоматического вы.
бора диапазона намерений
Результаты измерении вводятся в накопитель Н и оттуда подаются после окончания цикла измерений о МП, который п
обрабатывает и полученные данные вводит в блок отображения
информации БОИ или, если это необходимо, в адаптер связи
АС. АС эти данные преобразует в команды КИУ, подаваемые на
исполнительные устройства. Блоки выбора диапазона измерениГ!
БДИ и масштаба времени БМВ позволяют автоматически устанавливать необходимые предел и время измерений, исходя из
требуемой точности, а в некоторых случаях в соответствии с частотой тактовых сигналов СТ, подаваемых, например, от устройств
контрольного автомата.
Блок выбора диапазона измерений работает по схеме, изображенной на рис. 125.
Диапазон измерений устанавливается входным делителем ДВ,
с которого сигнал поступает на устройство сравнения УС, где
сопоставляется с сигналом, поступающим с цифро а налогового
преобразователя ЦАП,
Программа вначале устанавливает наибольший диапазон измерений, а затем постепенно, ступенями, уменьшает его, пока в
заданном диапазоне не окажутся оба с и г н а л а — о т ДВ в от
ЦАП. В этом диапазоне измеряется входной сигнал, и результат
измерения может быть введен в оперативную память.
При автоматическом контроле изделий мостовым методом
программа уравновешивания автоматического моста хранится
МП. Уравновешивание проводится поочередно л о амплитуде и
фазе. Результаты измерений МП выдает в цифровой форме. Кроме указанных выше параметров конденсаторов и катушек индуктивности или других объектов с емкостным или индуктивны^
сопротивлением на" переменном токе х: помощью МП можно так
же определять отклонения в процентах от заданного значен»
соответственно емкости или индуктивности.
ют
микропроцессорные системы позвол
ют контролировать объекты одновременно па большому чяс^'У
198
205
параметров. В качестве примера на рис. 126 приведена функциональная схема у с т р о й с т в а м у л ь т и м е т р а , позволяющего контролировать или измерять в испытываемой схеме постоянные и переменные токи и напряжения, сопротивления, частоты, коэффициенты передачи (усиления или ослабления) в децибеллах,
проверять токи утечки, наличие цепей и другие параметры как в
заданном режиме работы схемы, так и при запрограммированных
отклонениях заданных величин, характеризующих режим работы
испытываемой схемы, от установленных нормальных значений.
Основным блоком в мультиметре является микропроцессор
МП, обычно выполненный иа одной БИС. Заданные точки контроля 1, 2... объекта контроля О/С подключены к переключателю
диапазонов и рода работы ПДРР. Кроме того, к контролируемой
схеме подключен в заданных точках управляемый источник питания ИПУ с блоком управления БЛУ.
С помощью ПДРР контролируемые точки схемы подключаются к нужной измерительной схеме СИ, сигнал с которой поступает на аналого-цифровой преобразователь АЦП и с него на блок
цифрового логического контроля БЦЛК. Управление всеми этими
блоками осуществляется от МП, который одновременно выдает
результаты контроля на блок оптической индикации БОИ и в
зависимости от них или по заранее заданной жесткой программе с помощью цифроаналогового преобразователя ЦАП и блока
логического управления БЛУ изменяет режим работы ИПУ,
Результаты контроля через выходные буферные устройства
БУ подаются на исполнительные органы ОИ, производящие рассортировку объектов контроля.
При необходимости оператор с помощью клавиатуры Клв может прервать в любой момент цикл контроля и задать необходимую дополнительную операцию контроля или повторить одну из
входящих в программу контроля операций.
Данный комплекс может быть доукомплектован знакосинтезирующим и печатающим устройствами с целью выдачи печатной
документации о результатах контроля.
Во многих рассмотренных выше устройствах использовались
АЦП и ЦАП, выполненные в виде отдельных устройств. Однако
как ЦАП, так и АЦП можно выполнить на базе МП. Рассмотрим
схему такого ЦАП на микропроцессоре МП (рис. 127).
Во внутренний регистр МП вводят код 5вх, который необходимо преобразовать в аналоговый сигнал. В процессе преобразования цифровой код выводится на выход 5вых в последовательной
форме младшими разрядами вперед. Выход подключен к управляющему входу аналогового ключа Кл. При появлении в выводимом разряде единичного сигнала Кл подключает выход источника
образцового напряжения ИОН к ЛС-цепи. После восьми периоАов выдачи разрядного напряжения на выходе цепи формируется требуемое аналоговое напряжение.
а
С0
Г
т :
^гс тс^рзго 'гг^кср^зг.ьггхг
71 г.с
ГГЕ
в э г ь х з ^ ^ т г Е г »
!::{
^е&лргсюго с г г Е ^ ^ г
КП,
ГЕ^рСИЦ
Т2Х О-Е
X
сггггт-г?, х з т ^ г з ^ ! на
г г т т - г г з ^ п : ! Е^гпгго Бг богег 7 = 1 5=*=:-ссг2Ггг4ПЕЕыг торгоЕьк Бесь: млгут сгзллггъ г г о г е э з к едиг
5.
форке ст г р е э ' р ^ э с в г т е ^
г о сгз
I сг^р^зоь ^ р у с с
Н ^ Е Н Е Е Е - гт гргэе;^
в МП герсзсгггЬь 5
I ггтпрсх' В ^-угохгетгя на сент гсв^г-^ т г?
^
в МП с
У-
Рис. 127. Структурная схема Ц А П н
А Ц П на микропроцессоре
Рис. 128. Структурная схема анало.
гового преобразователя на микропроцессоре
на каждую цифру поступают в сдвигающий регистр и складываются. Из окончательного результата только четыре старшие
цифры выводятся на индикатор, а остальные цифры, представляющие собой доли копейки, не индицируются.
Последовательность описанных действии непрерывно повторяется с периодом около 0,8 с. Такая, частота определяется не
скоростью срабатывания МП, а необходимым временем индикацш1. При взвешивании чаща весов колеблется, и это вызывает изменение показаний стоимости, поэтому при уменьшении
времени индикации наблюдатель не сможет надежно считывать
показания стоимости товара.
Поскольку системы, работающие на цифровом коде, имеют
значительно большую помехозащищенность, чем аналоговые системы, и вносят в передаваемый сигнал меньше искажений, то
в настоящее время при передаче и усилении сигналов аналоговой формы в измерительной технике все больше применяют устройства на микропроцессорах. При этом аналоговый сигнал
преобразуется в цифровую форму, затем в цифровой форме обрабатывается по заданной программе и снова преобразуется в
аналоговую форму.
Предположим, что необходимо осуществить преобразование
аналогового сигнала х по заданной функциональной зависимости
В этом случае можно использовать схему, приведенную на рис. 128.
Необходимая программа преобразования вводится в ЯЗУ.
АЦП преобразует вводимый аналоговый сигнал в цифровую
форму. Затем этот сигнал поступает на МП, где осуществляются необходимые математические операции, результат которых
^ ЦАП преобразуется в аналоговую форму и подается на выход у.
Как указывалось выше, микропроцессорные системы целесообразно использовать при статистических измерениях. При этом
может реализоваться либо алгоритм одновременного измерения
201
РЛРО СИ лип БЦЛН 5Я
ок
ЦЛП
0П!/
—
ип
он
дои
1«
Ка1
Ряс. 126. Функциональная схема мультиметра
Для аналого-цифрового преобразования в схему добавляв
ся компаратор К, осушествляющнн сравнение входного напр$!
жения ( / „ с выходным напряжением б/вы* /<С-цепи. В ^
сл)'чае АЦП реализует алгоритм поразрядного уравновешга^
ння: для полного 'преобразования при восьмиразрядном юл
необходимо провести восемь итераций с цифровым кодом, дд
чего необходимо осуществить 64 цикла.
При обработке аналогового сигнала необходимо учитывзп
быстродействие МП, так как для передачи всей информацп,
заключенной в аналоговом переменном сигнале, имеющем
тотный спектр, ограниченный верхней частотой /таь необходиз
преобразовывать значения аналогового сигнала в цифровой!};
с интервалами времени не более Г—1/2 /тах.
Электронные торговые весы могут служить примером исп№
зовання МП для выполнения функций аналого-цифрового прес^
разевания. При работе весов информация о массе товара пост?
пает в аналоговой форме от преобразователя давления и о к®
товара в цифровой форме с клавиатуры. Напряжение от пре#
зователя давления в МП переводится в двоично-десятичный к;
в котором и умножается на цену товара в таком же коде.
вводится оператором в МП с помощью десятипозиционнья в}
борных переклк>чателей. МП применяется здесь для аналог
преобразования и леремиожения цены на массу.
№
мРшЛ^" ^ ^ ^ ^ ^ двоично-кодированная десятичная цифрз
отдельном восьмибитовом слое, занимая всего ^
боднымя То
остальные четыре разряда остаются ^
ет
расположение информации в памяти у в ^ ^
ном"
полученное в т р е х ^
коде й ж и т п п
товара, введенную в т
4 р а за
« Л1Я с трех кодонаб Р ^
Ч'Ра за цифрой по ходу умножения. Результаты
ОЗУ
АЦП
1
Рис. 127. Структурная схема Ц А П и
АЦП на микропроцессоре
Л
МП лм
ц
ПЗУ
ЦАП
Рис, 128. Структурная схема аналогового преобразователя на микропроцессоре
на каждую цифру поступают в сдвигающий регистр и складываются. Из окончательного результата только четыре старшие
цифры вьгеодятся на индикатор, а остальные цифры, представляющие собой доли копейки, не индицируются.
Последовательность описанных действий непрерывно повторяется с периодом около 0,8 с. Такая частота определяется не
скоростью срабатывания МП, а необходимым временем индикации. При взвешивании чаша весов колеблется, и это вызывает изменение «оказаний стоимости, поэтому при уменьшении
времени индикации наблюдатель не сможет надежно считывать
показания стоимости товара.
Поскольку системы, работающие на цифровом коде, имеют
значительно большую помехозащищенность, чем аналоговые системы, и вносят в передаваемый сигнал меньше искажений, то
в настоящее время при передаче и усилении сигналов аналоговой формы в измерительной технике все больше применяют устройства на микропроцессорах. При этом аналоговый сигнал
преобразуется в цифровую форму, затем в цифровой форме обрабатывается по заданной программе и снова преобразуется в
аналоговую форму.
Предположим, что необходимо осуществить преобразование
аналогового сигнала х по заданной функциональной зависимости
В этом случае можно использовать схему, приведенную на рис. 128.
' Н е о б х о д и м а я программа преобразования вводится в ЯЗУ.
Щ П преобразует вводимый аналоговый сигнал в цифровую
форму. Затем этот сигнал поступает на МП, где осуществляются необходимые математические операции, результат которых
^ ЦАП преобразуется в аналоговую форму и подается на выход у.
Как указывалось выше, микропроцессорные системы целесообразно использовать при статистических измерениях. При этом
^^ожет реализоваться либо алгоритм одновременного измерения
201
пядз величин с целью определения статистических хар.,,
п ^ ^ е н н о й реализации, либо алгоритм п о с л е д о в а т > .
измерения значений заданной величины с введением
тов юмерений в ОЗУ и последующей их с т а т и с т и ч е с ш ^ >
боткой, В зависимоаи от задач контроля могут о п р е д З различные статистические характеристики. Если к о н т р о л ^ >
Постоянная величина, то могут определяться характеристн??^
сеяния результатов измерения, например, с целью оцевк» ^
бильностй работы измерительных преобразователей. Такую
чу с успехом может решать микропроцессорная система
ГЛАВА 8
ИСПЫТАНИЯ
ДЛЯ О П Р Е Д Е Л Е Н И Я ВЛИЯНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
НА Т О Ч Н О С Т Ь АКТИВНОГО КОНТРОЛЯ РАЗМЕРОВ
1. К О М П Л Е К С Ы ПОВЕРОК УСТРОЙСТВ А К Т И В Н О Г О
К О Н Т Р О Л Я и и х ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ
С целью обеспечения нормального функционирования
устройств активного контроля (УАК), выпускаемых промышленностью, а т а к ж е для сравнения их характеристик с характеристиками других аналогичных приборов необходимо осуществлять Б соответствии с ГОСТ 8.009—84 в определенном порядке
регламентированный комплекс поверок. Однако состав и методика осуществления этих поверок применительно к УАК требуют существенных дополнений.
К лервому комплексу относятся поверки соблюдения общих
требований (таких, как внешний вид УАК» качество сборки
и т. п.), предъявляемых к устройствам автоматического контроля. Эти поверки осуществляются известными приемами [5] и
должны предшествовать всем прочим комплексам поверок.
Вполне закономерно, что первый комплекс поверок осуществляется на заводе-—изготовителе УАК и затем частично повторяется после каждой транспортировки устройства, а также после его
монтажа на станке.
Ко второму комплексу поверок следует отнести установление
зависимостей, определяемых привходящими извне влияющими
факторами. К ' э т о м у комплексу следует отнести установление
влияния .на точность и надежность устройства нестабильности
характеристик источников питания (давления, -напряжения,
частоты и т. п.), наводок, запыленности и влажности окружающей среды (поверка на брызгопылезащитность корпуса), изменения температуры окружающей среды (помещения, охлаждаю.Щей жидкости), изменения взаимного положения контролируемой детали и контактных наконечников устройства, воздействия
вынужденных колебаний корпуса устройства (виброустойчипость и вибропрочность прибора).
В табл. 7 представлен перечень поверок основных характеристик, схемы таких поверок и вид характерных зависимостей.
Только после выявления перечисленных факторов можно присту11ИТЬ к проведению' следующих комплексов поверок, так как иначе другие закономерности и характеристики будут искажены.
Кроме того, выявление влияния рассл*отренных факторов на точ'' '
I .
203
Поверка основных характер
Но-
Наяиевомяке
поверкя
«ер
па
1(1ор
Ввд
получаемой
Схем*
ловеркя
эааисвиостн
Влияняе
кеста-
Сйльностн параметроз
истешиков лягания (язмснсияе
нзпряжекяя,
частоты
к т. п. и
виеохнеЛ
наволки)
1 1 Н 1 Н 1 Н З - г Ш
4 3
г-с
Смешение вастройки
во времспн в
рса.1ьиы.т
условиях
Деталь
-1
оерйиц
Виброустойчивость и
впбропрочность
/
212
\
Ш
22
7
1
1
1
1—I
1
^
Таблица
*
.--яемых привходящими факторами
Примеры
велнчнн
7
'
Примечание
Вшяние изменения напряжения
0 03-0,06 мкм/В
1 — истопник питания; 2 — регулятор
изменяемого
параметра;
5 —контрольный прибор; -^ — головка УАК;
5 —показывающий прибор У А К ; 6 —
исполнительный блок У А К ; 7 — о б разцовое средство
Вр&ыя относительной стабилизации
положения уровня настройки — 2 , 5 ч.
Изменение уровня настройки за 8 ч —
3 мкм
I — рабочая позиция; II — позиция
контроля смещения уровня настройки;
А — изменение влияющего параметра (а, (О. Г" и др.) 5 —изменение
уровня настройки; 4 —головка У А К
Систематическое
смещение
уровня
настройки Д * = 8 мкм для о)=40 Гц
и л - 6 0 мкм, а зона нестабильности
Ох='4 мкм
1 — вибрирующая платформа; 2 —
кронштейн; 3 —образцовая плитка;
4 —головка УАК: 5 — измерительные наконечники; 5 —рамка; 7 — о б разцовое средство; в — исполнительный блок УАК; 9 —осциллограф
213
Номер • о м а я е
по йояеркя
ПП
' >.
Влияние
взаимных смешеияД
головки
У А К относятельяо изделия
Схема
помрка
Вмд
ПОЛУЧКЦОЯ
^••нсамоста
-
1—1 и
ЯП
ность и надежность устройства позволяет определить требования
к последующим поверкам, т. е. допустимое изменение лривходящих факторов, не вызывающих появления погрешности, превышающей предписанную погрешность аттестации или поверки.
Поверка характеристик, определяемых . привходящими вогрешностями, должна производиться на заводе —изготовителе
УАК; она позволяет выявить требования к условиям нормальной эксплуатации устройства.
К третьему комплексу следует отнести поверку статичесш
функций преобразования устройства. Поверкам должны подлежать (табл. 8): погрешность срабатывания, погрешность настройки (порог чувствительности), смещение настройки во вр^
менн или в зависимости от числа срабатываний исполнительного реле устройства, рабочий и свободный (полный) ход
измерительных наконечников, измерительное усилие, цена деления и нелинейность шкал (регулировочных винтов датчика, показывающего прибора, триггерных регуляторов уровней переключения и т. п.), разность срабатываний при прямом и обратном ходах измерительного наконечника, время готовностн
устройства к работе.
Рассмотренный комплекс поверок так же, как и последую*
??А V
наряду с преимуществами и недостатобласть его 1 возможного применения, а также тУ
погрешности, которая
определяется сами«
пГжх?иГ. " "Р"
« статическом и - квазистатическол
режимах.
быстроизменяющиеся линейные
с Г з а в ^
важными его характеристиками являю '
тогГкГг^екЛ'
« результате осуществления четвеГ
ого комплекса поверок, а именно поверок функций динамйче-
Продолжение табл. 7
Прямеры величия
Для АК-3
Л,-0.2
1
мки
мкм
мкм
рад
Првмечаяие
/ — осциллогоаб; ^г —кронштейн,
головка У А К ; 4 — измерительные наконечники; 5 —базирующий элемент;
5 — изделие (образец);
7 — измеритель смещения в вертикальной плоскости; 8, 9 п
—винты смещения горизонтального и вертикального перекоса; 11 — измеритель смещения в горизонтальной плоскости; 12 — плита;
Д —смещение изделия; у — у о л поворота изделия
СКОРО преобразования. При поверке динамических характеристик следует выявить амплитудно-частотную характеристику, в
том числе значения критических частот и амплитуд, а также
предельную динамическую погрешность и частотно-фазовую характеристику точности (время срабатывания). Для некоторых
устройств, например осуществляющих контроль прерывистых
поверхностей, выявляется дополнительно
(или как главная)
переходная функция точности.
Все четыре предыдущих комплекса поверок осуществляются
а лабораторных условиях, в частности путем стендовых испытаний УАК. Однако окончательное суждение о точности и надежности устройства можно вынести лишь в результате его производственных испытаний совместно со станком. Пятый комплекс
поверок с целью выявления суммарной погрешности обработки
и надежности работы УАК, а также функций влияния технологических факторов на точность и надежность
управляющего
контроля должен проводиться установлением закономерностей
изменения размеров в зависимости от времени обработки (числа
обработанных деталей), от изменения свойств (припуска, погрешностей формы и т. д.) контролируемой детали и технологических характеристик оборудования. Следует подчеркнуть
необходимость испытаний устройства на надежность, в особенности испытаний на точностную надежность.
Не приводя общеизвестную методику определения характеристик первого комплекса, а частично и второго, рассмотрим поверни третьего, четвертого и пятого комплексов, особенно подробно
останавливаясь на тех из них, которые являются специальными
или связаны с использованием специального оборудования (стендов).
215
8
со
Поверки основных характеристик У А К • статических условиях
в-й-о Нанмеповаш
нне
ловсркн
Схеыа поверки
Таблица
Оид лолучлсмоП завнсммостя
Погрешность
срабатываиня (наивысшая
можняя
точлость)
Погрешность
настройки
головки
Порог чувствчтель110СТИ
и
'
Сметенне
с.
Схема по п. 1
/ — образцовыП
прибор, 2 — г о л о в
ка У Л К
/?=»4.5 мкм;
х=2 мкм;
6а=6.3 мкм
I — образцовый
прибор; 2 — голов
ка У А К ; 5 — к у лачок арретира
Черновая об—
- Ю , 4 м к м , «»ле-
Тооаяллшсля
обраОоткп
[
Лк.пкн
2Р
/ О шо гоо
- /
Схеыа по п. 2
0,01 мкм/вдкл
ш
ВО Ьмич
1 — во включенД л я АК-3 за
ном состоянии:
1 ч на 2 мкм
во включенном 2 — в выключени 3.5 мкм в вы- ном состоянии
ключенном со- после 4 ч работы
стоянии
Рабочий участок для А К - 3 2—13 Н
1
1
9 е 8 /а
—число гулклов
ш н
Схема по п. 2
Измерительное
усилие
м
Пр.
/7-0.3 нхм;
Со «0.6 икм
работка
' уровня
УП
настройки
головки от
числа циклов срабатывания
Смещение
уровня настройки головки от
нахождения
ее во включенном и
выключенном состоянии
Примеры
ь«личин
8
1 — головка У А К ;
2 — индикатор;
5—отсчетное устройство тспзодатчиков; 4 — тензосопротивления;
5 — стойка: А и
Б — точки излома
характеристики,
определяющие участок работы; * —
ход наконечника;
Р — измерительное
усилие
.во
в
оа . .
..
«<ои
с
2Xия
к О.
= V Оо V.
^2 ®X*
11
| 5 § о |
II15
1
Г|
II^Ы
Я О
я
=
о >»о
с 5 г ? II
^ с» X ^ а ь
X сиа в гЬч
о ;
аш
а
2.00
»-
II
о
а
в§
«
г.
^
о
а
т
Я
о
№
п
с
в«о
о
н
12
ос
п
2
4»
вО
§ч
в
1 :
II?
, й» ои «•
о2 о •о
: 9
<
' 1ои ов
210
« Ьв я к в
5•
5 «Я
Д Р жк
00
РЗ и й
01
2. П О В Е Р К А М Е Т Р О Л О Г И Ч Е С К И Х
В СТАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
ХАРАКТЕРИСТИК
УАК
Одной 113 важнейших характеристик этой группы является погрешность срабатывания УАК, обычно определяемая
лутем ряда последовательных перемещений измерительного штока головки до появления командного сигнала и позволяющая
установить наивысшую точность, которая может быть обеспечена данными УАК. Однако для этого необходимо, чтобы условия
работы УАК были близки к условиям его испытания, характеристики— стабильны^, настройка производилась идеально точно.
Несоответствие действительных условий указанным снижает реальную точность метода. Вполне естественно, что данная погрешность должна выявляться после стабилизации показаний прибора (путем выдерживания его в течение 2—3 ч во включенном состоянии) в термостатическом помещении с постоянной
влажностью в течение относительно короткого промежутка
времени (не превышающего получаса) и при питании электронной или • пневматической системы от стабилизированного
источника. Важной характеристикой УАК является погрешность настройки. Наименьшее значение погрешности настройки характеризуется порогом чувствительности. В УАК порог чувствительности
обычно выявляется путем многократного определения наименьшего смещения настройки, на которое еще способно реагировать
это устройство. Последняя характеристика важна при обработке
изделий по многоступенчатому циклу, так как в этом случае порог чувствительности будет предопределять минимальные интервалы между уровнями срабатывания при подаче команд испол.нительными реле.
Положение уровня настройки во времени не остается постоянным. В табл, 8 уже приводился пример определения смещения уровня настройки в зависимости от изменения характеристик
окружающей, среды, в частности изменения температуры. Помимо этой характеристики на заводе-изготовителе обычно проводится определение смещения уровня настройки от числа циклов
срабатывания. Однако наиболее полной характеристикой сме1Дения настройки является испытание УАК в производственных
условиях (путем периодического введения образца), позволяю"^их выявить влияние дополнительных факторов, таких как комплексное воздействие охлаждающей жидкости, изнашивания
"Твердых вставок всех наконечников и т. д.
Одной из характеристик стабильности положения уровня срабатывания является изменение этого положения в зависимости
времени работы, которое обусловливается в основном разогревом деталей устройства под действием, например, протекающего
^Рез обмотки датчика тока.
21
УАК
является зависимость 1;МС1ДСГ1ПЛ
^^.аиа.ыоипня от йп. '
ин нахождения УАК в выключенном состояини. На основав
этой характеристики можно установить, как идет процессов Г
дения деталей УАК, находящегося в выключенном состоя.?'
Эта зависимость свидетельствует о времени, по "стечении кпЛ
рого необходима новая настройка оборудования на задан^
^^°Йз"мернтельное усилие в УАК, н особенно его нестабнльносп
определяют погрешность, вызываемую непостоянством дефорц^
ции изделия, поверхностного смятия изделия и измерителькй
наконечников, изменения деформации корпуса головки прибора'
(скобы) и деформации подвижных частей прибора (рычаго,'
штоков). Кроме того, значение измерительного усилия оказыва.
ет влияние на динамическую погрешность. Д л я уменьшения ДЕ.
намической погрешности и влияния на точность обработки дета,
лей частиц, появляющихся в процессе обработки и попадающих
под наконечники, следует стремиться к увеличению измерительлого усилия. Однако при этом усиливаются изнашивание контактной вставки измерительного наконечника, деформация элементов прибора и изделия, свдавливанне» измерительного наконечника в изделие и т. п.
Обычно контроль измерительного усилия и его допустимого
колебания в пределах рабочего хода рекомендуется проводить с
помощью разновесов. Однако такая поверка в отдельных точках
не позволяет построить непрерывную зависимость и выявитыакие характерные особенности, как точки излома характеристш,
возникающие, например, в момент перехода пружинных подвесов
через нейтральное положение, сподключение> пружин свободного
хода и т. п. Поэтому установление закономерности изменения
измерительного усилия в зависимости от хода измерительного
наконечника удобно проверять с помощью тензометрических весов. Схема установки, применяемой в МВТУ им. Баумана, показана в табл. 8 п. 6.
Ц е н у деления показывающего прибора УАК и 11елинейиость
шкалы устанавливают, как и для
универсальных приборов, сличением показаний данного и образцового приборов. Полученный график позволяет не только определить цену каждого
дадения шкалы, но и выявить наибольшую нелинейность. Однаг^п;^.
У""^бРсальных приборов, имеет еше Н '
^ лимбами и делениями, позволяющим
срабатывания пр^ переходе с оД
Гч^оноГп
^РУ^^й- например от черновой под^
^ т п гл
ту же самую установку (например, о" ,
" " д ^ а т ^ Г "
к р е п ^ н и я головки'уАЮ и п"
следовательно устанавливая барабанчики на каждом де^ея»^
о
212
б
ы
ч
н
ы
х
лимба, наблюдают по образцовому прибору положение действп' тельного уровня срабатывания электронного блока. Построенные зависимости позволяют не только уточнить цену деления
каждого лимба триггерно-релейного элемента настройки пли
нелинейность шкал, но и определить их взаимное перекрытие в
зависимости от хода измерительного наконечника.
Важной характеристикой УАК является разность уровней
срабатывания при прямом и обратном ходах измерительного
наконечника. Если при проектировании и изготовлении неавтоматических шкальных приборов стремятся наряду с уменьшением отклонений от линейной зависимости показаний прибора к
увеличению перемещения измерительного наконечника и к возможно меньшей разности показаний при его прямом н обратном
ходах, то для УАК с целью повышения надежности работы часто специально увеличивают разность срабатываний. Эта разность находится в определенной зависимости от размеров частиц, попадающих под измерительные наконечники, и амплитуды
привходящей вибрации. Если эта разность незначительна, то
могут наблюдаться нестабильность срабатывания исполнительного органа, его быстрые включения и выключения. Разность
срабатываний обычно предопределяется различием токов срабатывания и отпускания электрических реле.
Время готовности УАК к работе определяется периодом, по
прошествии которого после включения устройства гарантируется заданная стабильность положения уровня срабатывания в
течение не менее 3,5 ч при нормальных условиях проведения
испытаний (при стабильных параметрах источников питания,
температуре окружающей среды и отсутствии вибрации). Продолжительность времени готовности устройства к работе зависит не только от предписанной длительности разогрева электронных блоков, но и от времени, необходимого для относительной
стабилизации температурных деформаций.
Обычная методика определения вариации срабатывания путем многократной установки устройства на образец неприемлема,
так как вследствие некоторой погрешности в установке головки
значение этой вариации будет завышено. Для исключения влияния этого фактора поверяемую головку устанавливают на дополнительном кронштейне вертикального интерферометра так, чтобы
его измерительный наконечник соприкасался с поверхностью стола. Микроподачей стола триггерно-релейная часть электронного
блока, управляющая окончанием обработки, настраивается на
произвольный размер. Процесс настройки завершается тогда,
когда при многократном (25—30 раз) прерывании подачи тока
"а преобразующий элемент датчика число срабатываний и не<^Рабатываний исполнительного реле будет одинаковым. Затем
производят многократное арретирование измерительного наконечника (не менее 5 раз), и после каждого арретирования путем
213
элемент да^ 1
, , поеобразуютнн
ЛЯЮ1
к
.ских характеристик УАКод.
у к следует считать а „ „ 4
« Р ^ ^ ' Р ' ^ С Г н ВР"»" срабатывания. При Ц
„амвческим характеристик) » н математическое ожяа'б
ке с л е д ) " »
, ^е с л у ч а и » ) "
математическое о».-ееее математическое ожидав;.
м Х е с Т о Г з^наа«ч не ни ие Г погрешпостн.
по^
важны как для определения возможной погрешности измерь.
Д1Я внесения дннамнческои поправки, а случайнаясост^
ляюшая будет оказывать влияние на рассеяние размеровобр^
ботанных деталей.
3 О П Р Е Д Е Л Е Н И Е В Л И Я Н И Я ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ФАКТОРОВ ( В Л И Я Ю Щ И Х Ф У Н К Ц И И ) НА ДЕФ0Р.МАЦН91
ВОСПРИНИМАЮЩИХ ЭЛЕЛ^ЕНТОВ УАК
В предыдущих подразделах отмечалось, что нанбола
сложным видом испытаний является выявление совместнагз
влияния нескольких одновременно имеющих место р т щ
Особенно сложно выявить совместное влияние таких существаных факторов, как силовые и температурные деформашш, №
скольку на их значение оказывает влияние большое число раз»)образных технологических параметров. Исследования
Н.Д^
рягиной показали, что наиболее полно возможные комплексяк
деформации можно оиеиить измерением возникающих напря!
ний по сечениям деталей головки. ЛАногочисленные исследовда
показали, что, например, на деформацию измерительной голов^
осуществляющей контроль в условиях процессов шлифован^^
оказывают существенное влияние значения подачи, темпера л ,
СОЖ, твердость материала и шероховатость поверхности за
вок, а также измерительное усилие.
.
1Методнка определения возникающих
а по
деформаций деталей головки состоит в следующем. Ь вы н^
ных сечениях тела детали, деформация которой
никновению погрешности измерения, располагают и и^дс» ^^
щнщают тензорезисторы. При этом желательно, если позв
место, расположить тензорезисторы на всех характерных
ках тела детали. Рабочие тензодатчики собирают в
вые схемы, в которых компенсационные тензодатчики нак
ют на отдельную пластину, выполненную из того
н
а
п
р
я
ж
е
н
и
и
,
В качестве регистрационной
туры используют тензометрический усилитель в сочетз
214
р С. 129.
Зависимости
напряжений
е. НПО.
700
"«Тм^ДЛЯ кривых Л 10. 13. 14. /7.
^'"Сб Н для кривых 3. 4. 7, в. 15, 16-,
Н для кривых 1, 2, 5. 6, 11, 12-.
АЛ" "Р"'"*
''
„ог - 4 5 + 6 0 ДЛЯ кривых 6. 8. 13, 14;
- 5 1 + 6 5 для кривых 11. 12. 15. 13.
0 - 3 + 4 мкм для четных номеров кривых.
в!Гз6+40 мкм для иечстаых номеров кри-
вы*, ' с О Ж
осциллографом. Тип осцнллохрафа выбирают так, чтобы его
вибраторы позволяли регистрировать изменяющиеся параметры Б диапазоне
частот
0...400 Гц с одновременной регистрацией на фотоленту 14 параметров. В качестве харакОШ 0,008 О.ОП 2,мм/ни1'
0,00!
терного примера рассмотрим
определение влияния различных параметров на значение напряжений в губке измерительной
головки, используемой д л я контроля диаметров на круглошлифовальных станках.
Спектр кривых, изображенных на рис. 129, показывает зависимость напряжений от подачи. Эту зависимость можно записать
в виде
—Ьз + с. И з графиков можно сделать вывод, что
при минимальных подачах продолжительность обработки возрастает, а это приводит к росту температурных деформаций. Наименьшие'деформации соответствуют подаче 5«0,006 мм/мин,так
как с их ростом возрастает температура поверхности изделия.
Вид кривых, характеризующих зависимость напряжения а от
твердости поверхности заготовки НЯСз (рис. 130), объясняется
частичной компенсацией влияния на напряжение от тепловых деформаций измерительных усилий. Можно было также предположить, что с ростом измерительных усилий напряжения в теле
воспринимающих деталей головки будут возрастать, что подтверждается видом графических зависимостей, представленных
рис. 131. Однако вследствие взаимного влияния рассматриваемых факторов прямой пропорциональной зависимости между
и напряжением не наблюдается.
Меньшее влияние на напряжение оказывает шероховатость
поверхности заготовки (рис. 132). Это объясняется тем, что с ростом микронеровностей температура в зоне контакта наконечника
хотя и падает, но незначительно. Как и следовало
^ и д а т ь , значительное влияние на напряжение оказывает изме^ и и е температуры С О Ж (рис. 133). Таким образом-выявлено
'^иялие на напряжение в теле губки основных технологических
• ~
..
215
6, ИПи
6,МПа
41
51 няс.
Рис. 130. Завясямостн напряжений от
твсраоств:
'сож
«-о.ос» мм'ки": /.
Н.
« - Р . м - б Н : 5,
Ряс. 131. Зависимости напряжений о,
измерительного усилия:
'сож"^®*^'
ыыЫпя (для т« К(
ЧТО и •• рис. 130)
-4Н
факторов, свойственных процессу шлнфоваппя. В соответствии
с конкретными величинами напряжений можно затем найти
значения перемещении точки контакта в системе координат х,
у. Кроме того, анализируя образец осциллограммы, можно сделать вывод, что направление напряжений, вызываемых равно6,МПй
'1,5
з.вз
"
(
1
ио
"17:., 1.
»
з.^в
1
200
1 .
XI
и
Г/ г. 1
1
1
^) 1
1
17
• \
1
1
1
1
•
1•
1
/5
Н. НКС,-.«)т-44; 3 — р
"
/
/
90 /Гг,пяг1г
-ю И
\
3
2,5
1
10
У
/
Х5
— ! —
» >
Рис. 132. Завнсимоаи напряжений от
шероловатости поверхности заготовки:
216
•
20
22
2
Рис. 133. Зависимости напряжеинЗ °
температуры
СОЖ
"Р"
= 0,005 мм/мип: У?г-Зб-4-40:
^
^ - ' ' • ш - е Н . ИКС,-51-!-55; 2.
-4
и.
НКС,-40^44;
Н1?С,-45+50
измерительного уснтемпературного поля,
по направлению напря1'е шям, вызываемым нзмери.
Цельным усилием.
4
ПРОИЗВОДСТВЕН-
НЫЕ
СОВМЕСТНЫЕ
ИСПЫТАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
, ОБОРУДОВАНИЯ
С УАК
Проверка
стабильности и точности работы. Основной характеристикой точности и точностной надежности
(стабильности) работы УАК
совместно со станком, т. е. его
работы в производственных
условиях, является график изменения размеров обрабатываемых деталей во времени
(или от их числа), т. е. зави. си мости вида Ах—1{() или
Картина получается нагляднее, если на график наносят
Iкрайние значения отклонений
•размеров сходящих со станка
деталей и именно того сечения,
'В котором осуществляется контроль размеров УАК (рис. 134).
•Удобнее всего предельные отклонения изображать в виде
'Вертикальных прямых, расстояние между концами которых
'соответствует разности между
наибольшим
и наименьшим
; размерами. Однако точность
, " ^ н к и закономерностей систематических погрешностей запаг5л
продолжительности
оборудования без изиения технологического прои настройки. Часто д л я
^185
217
наглядности соединяют ломаной
линией
наиболее вероя.
соедние размеры обработанных деталей (кривая /)
^
ЧЯК-ПНПМЕПИОСТЬ
У ' "ЗЭТЙИ
строят теоретическую закономерность изменения снстри^
ческой погрешности (кривая 2). Параметры этой
могут быть определены, например, по способу нан^Тш''''
квадратов.
На основании проведенной математической обоабптг,,.
к уменьшению размеров нздслпп, с?ту закономерно^
можно объяснить затуплением шлифовального круга, увел„ц
ваюшего натяг системы после обработки некоторого количсс:
ва деталей. Кроме того, наклон кр"воП 2 может также опред|.
ляться смещением уровня настроики УАК, например, вследствие
нитенснвного начального нагрева измерительных наконечннкоа
Поэтому на тот же график следует наносить положение уровщ
настройки, определяемого, например, путем введения образца
и регистрации смещения уровня настройки по шкале прибора
(кривая 3 на рис. 134, а ) . Анализ положении и угла наклона кривых 2 и 3 показывает, что в данном случае основное влияние на
значение средних размеров обрабатываемых деталей оказывает
смещение уровня настройки из-за нагрева его наконечников. Несовпадение исходных точек Л—Л', В—В' и др. (рис. 135) характеризует постоянную погрешность (начальная погрешность
настройки
14 мкм).
Подавляющее большинство
графиков определении точности и точностной надежности
УАК и всей системы в целом,
которые публикуются в литературе, содержат лишь одну
функциональную зависимость
вида А ; г с р = / ( / = 0 ) , т. е. график изменения среднего размера контролируемого сечени*
детали, измеренного в момент
окончания обработки. Такон
подход к оценке точности
точностной надежностп я01
несостоятелен, так как не п
зволяет
не только
• /хсппкрат^Внал ' \/">'л кровна
I. ипабилалации
первоначальное
ш 1а ПСО
причин погрешностей
бенности систематических), .
д а ж е и оценить суммар"Г
точность партии обработан"
218
- 1.1
талей. Достаточно полным следует считать графнк, содержа1Й инфор^*^^"^
исследуемом параметре до его процесса обботкп, в процессе обработки (точнее, сразу же после окончаобработки) н затем через некоторое время выдержки издеЛнй т. е. после относительной температурной стабилизации раз^'^^С^этой точки зрения^нанболее полной характеристикой будет
гоафик, представленный на рис. 135. Такое отображение изменения размеров позволяет не только проанализировать «наследственное» влияние на точность обработки предыдущей операции,
у ч и т ы в а я параметры (размеры) заготовок, но и определить действительную точность обработки изделий, размеры которых фиксировались после снятия остаточных напряжений и температурной стабилизации (кривые 4).
Сравнение углов наклона кривых 2 и 4 показывает, что после температурной стабилизации происходит некоторое рассеивание размеров изделий, так как с увеличением затупления круга увеличивается их температурная деформация, что приводит
к излишнему съему металла с поверхности детали.
Для легко деформируемых изделий (типа колец) часто необходимо иметь еще и четвертый, промежуточный, график. Этот
график получают обычно путем контроля изделий на станке,
когда еще не сняты усилия зажима изделия. Тогда сравнение
размеров, измеренных в этих условиях, с размерами, измеренными сразу ж е после снятия деталей со станка, позволит определить погрешность, привносимую узлом закрепления изделия.
Кольцо, как правило, после охлаждения изменяет свою форму,
претерпевая некоторое изменение и по среднему размеру.
Кроме общей оценки точности и первоначального анализа
причин, вызывающих изменение этой точности, с помощью аппарата математической статистики и теории вероятностей и на
основании рассмотренных графиков возможно установление
многих корреляционных зависимостей погрешности обработки от
различных факторов. Приемы нахождения рассеивания размеров изделий обычны, и поэтому в настоящей работе они не рассматриваются.
Точностной анализ составляющих экспериментальных зависимостей изменения размеров обработанных деталей во времени.
Зависимости смещения настройки УАК во времени в производственных условиях и графики изменения среднего размера
от числа обработанных деталей позволяют, в частности, дать рекомендации по частоте поднастройки или самонастройки. Так,
например, если па рис. 134, б способом наименьших квадратов
аиести короткие прямые линии, соответствующие частоте под•астройки в 10 деталей, то вследствие уменьшения влияния сисем^атической составляющей смещения уровня настройки и сме"ия мгновенного центра расеивания, легко показать, что мож- •
219
„о уменьшить диапазон рассеивания на 3 - 5 мкм. Метод.,
опреде-чения «по образцу» зависимости точности обработк^
в а р ь и р о в а н и я частоты поднастроикн У А К заключается в
щем Выбрав определенный интервал обработки, например в 1п
20 30 мин и т. д., последовательно помещают этот отрезок в ' •
рактерные точки кривой 3 и определяют отклонения от первой'
чального уровня настройки. Затем строят полигоны распредД;
ния этих отклонений. Эти графики позволяют выявить пе тол^
ко случайную, ко и систематическую составляющую смещспы.
уровня срабатывания в зависимости от времени работы обору,
довання.
П о а р о и в зависимость изменения среднего арифметического
Дх от времени между поднастройкамн д л я УАК при испытании
системы в производственных условиях (рис. 136), можно сд^
лать вывод, что при настройке через к а ж д ы е 10 мин, по сравненню с настройкой через I ч, точность обработки увеличивается в среднем на 1 мкм. Еще больший эффект будет получен в
том случае, если осуществлять поднастройку нли самонастройку
не по образцу (т. е. по кривой 3, см. рис. 134), а по изделию
(т. е. по кривой / или 4), так как в этом случае, как правило,
характерно более резкое смещение уровня настройки во време>
ни. Методика определения увеличения точности обработки с
увеличением частоты настройки по изделию остается неизменной. Зависимость вида Ах=1(п)
с нанесенными на ней крайними значениями размеров позволяет выявить влияние некоторых
(динамических) составляющих погрешности на точность обработки, например влияние овальности. Д л я этой цели последовательно определяют значение овальности детали и расположение среднего арифметического размера относительно кривой 2.
Затем строят полигоны распределений средних размеров от полученной функции времени (кривой 2) и вычисляют положение
центра рассеивания и среднее квадратическое отклонение для
каждого интервала овальности.
Как видно из сравнительных характеристик изменения положения центра рассеивания размеров деталей в зависимости от
значения овальности, полученных для трех типов УАК, испытакт
/
/1
-V
—
1
\ -/
изменения
среднего арифметического от воемени
между поднастройкамн
времени
220
/
•
/(К
•
7
Рис. 137. Изменения положения
тра рассеивания размеров от з
ннй овалькости для трех типов ^
^
мых примерно В одинаковых условиях (рис. 137), вследствие динамических погрешностей уменьшаются размеры обработанных
деталей (валов) с ростом значения овальности. При изменении
овальности от О д о 10 мкм средний размер сходящих со станка
деталей уменьшается соответственно для устройства 2 на 1 мкм,
для устройства 1 на 2 мкм, а д л я устройства 3 на 3—4 мкм.
В то же время с ростом овальности возрастает и среднее квадратическое отклонение средних размеров деталей. Так, д л я устройства 1 при изменении овальности от О д о 5 мкм а увеличилась от 8,4 до 10 мкм. Однако такой анализ еще не позволяет
определить полную динамическую погрешность, так как д л я
цилиндрических изделий, наряду с овальностью, имеет место составляющая
от
процесса
резания
(у/),
эксцентриситет
(Л1е-«''51Пй)оО. автоколебания наконечников и т. д. Методика
проведения таких испытаний в производственных условиях отлична от методики определения суммарной погрешности
В производственных условиях смещение центра рассеивания
размеров может быть следствием изменения свойств деталей к а к
до процесса, т а к и в процессе обработки или д а ж е после него.
График (см. рис. 135) позволяет выявить влияние начальных
(например, припуска, рис. 138) на точность
обработки. Колебания припуска в небольших пределах д а ж е
при интенсивных процессах резания не приводят к значитеТьГ'чеГ^олТ
группирования, и / т о влияние тем меньше, чем более рационален цикл обработки и. в особенности.
Х,мкп
10 к
5
о
N
/0
а.)
20
25
Г, с
вг
х,пкм
10
А-/.7
5
О
Ю
70
Н7
25
0)
Рис, 138. Зависимость изменения положения размеров обрабатываемых
деталей от значения припуска:
в —после исключения систематической со"авляющсй погрешности; б —без учета
адиатической
составляющей погреш-
Рис. 139. Воздействие охлаждений на
размеры деталей:
а — н а воздухе; б — в эмульсии
221
ргли в конце обработки предусмотрено выхаживание. Так п
устройств на станках, в течение цикла р а б о т Г ^ '
Гых осущеавляется черновая подача, равная 50 мкм/с,
>
^ я подача равная 0.8 мкм/с, н выхаживание, значит^^^
11^НИЯ припуска на смешение центра группирования о С ?
^ Г н е было. Как будет показано ниже, действительный ^ ^
сходящей со станка детали в одних случаях может ие завигЛ
от значения припуска, в других случаях увеличиваться в?»
уменьшаться, что определяется в основном выбором элемекто!
цикла.
При проведении комплексных производственных испытаний,
помимо основных данных, целесообразно, если позволяет са5
процесс, сиять зависимости продолжительности обработки ка«.
дой детали и изменения размеров обработанных изделий пр1
остывании во времени. Так как при испытании на станке д^
таль может сниматься с позиции обработки по истечении некоторого времени, то желательно иметь график зависимости размеров после охлаждения ее не только на воздухе (рис. 139, о),
но и в эмульсии (рис. 139, б ) . Этот график позволяет предсказать необходимое время охлаждения изделий на воздухе или I
эмульсии для того, чтобы судить об окончательных размерах.
Экспериментальное определение амплитудно-частотной характеристики. Стендовое определение амплитудно-частотных характеристик, в особенности датчиков, широко описано в литературе [II]. Производственные испытания УАК совместно с технологической системой позволяют наблюдать комплексное воздействие динамических факторов, но при проведении этих испытаний
возиикаст ряд затруднений. Так, прежде всего, необходимо избавиться от влияния на результаты испытаний посторонних факторов. Попытки использования для этой цели (т. е. для определения уровня срабатывания при наличии колебаний измеритель»
ных и базовых наконечников) конической оправки себя не оправдали вследствие сложности точного изготовления прямолинейной образующей конуса. Поэтому для определения амплитудночастотных характеристик в рабочих условиях можно использовать овальные детали и предварительно аттестованную шкалу
оарабанчиков триггеров переключения подач. Так как относнамплитудно-частотные характеристики обычно почти не
й п г п п ^ . Т ' ' "Р" изменении амплитуды, при испытаниях удоб^
и с п ы т а н и и
воспользоваться деталями с большой овальностью-в 5(Н
сацию
быть настроена на Ф^
" ю ш и е н^ наибольшего размера (триггер или контакты, Р ^
илПонтактТ
" наименьшего размера (триД
снятие обеих^'^^^^^^^
« а м ы к а н и е » ) , одинаково
-^тстн^^^^
характеристик. Эти хара«
ристики, кроме того, позволяют наглядно проследить не Ю^ь
уменьшением динамической амплитуды, по и за измененико за
т. е. изменением среднего уровня сигнала.
Методика проведения подобных испытаний заключается в
уюшем. Н а станке в рабочем положении устанавливают деСЛ^"®/с заданным
.Г.Г1.1М и-^тТРИ^ИИРМ
изменением Т(>КУТ11РГП
текущего ПЯИТРПЯ
размера, ТГЯППИМРП
например гс чяза^^^ной овальностью. Вводят наконечники головки УАК на изи при его медленном вращении одним из триггеров (кон^^тов) фиксируют наименьший размер детали (вращая винт
ппймпяштгя пепеключрния
ппуегулировки, добиваются
переключения гигняляК
сигнала), яа друим триггером — наибольший
размер (т. е. добиваются того,
переключение сигнала происходило в момент прохождения под наконечниками наибольшего размера). Затем последовательно увеличивают частоту вращения детали, фиксируя всякий раз с помощью регулировочных винтов триггеров (контактов) положение уровней срабатывания.
Если вследствие наличия грубой шкалы показывающего прибора или отсутствия элементов отсчета воспользоваться этим
методом нельзя, то тогда необходима аттестация размеров образцовой овальной детали с целью определения размера как
функции угла поворота (перемещения), т. е. ^ = [ ( ( р ) . Имея такой образец, снабженный, например, диском с делениями, после
очередного поворота винта настройки до срабатывания исполнительного реле вращение детали прекращают. Затем, медленно
вращая деталь вручную, добиваются нового срабатывания триггера (не изменяя положения его регулировочного винта). Тогда
действительный размер детали, находящейся в этот момент под
измерительными наконечниками, будет характеризовать положение уровня срабатывания.
Для исключения погрешностей положения, появляющихся,
например, при испытаниях трехточечных скоб, вследствие разности контактных усилий на опорный (боковой) наконечник, последний при медленном вращении детали необходимо поджимать к ее поверхности с помощью дополнительного груза, вес
которого должен быть равен усилию прижима наконечника в
рабочих условиях.
Сравнение амплитудно-частотных характеристик устройств 2
" ' (рис. 140), снятых на станке в производственных условиях,
оказывает, что уровни срабатывания устройства 2 практиче^^пп^ изменяются у ж е при частоте вращения изделия п =
^ о о о мин-' и при этом примерно совпадают со средним диаметР м изделия. Д л я устройства I уровень срабатывания остается
изменным у ж е при л = 3 0 0 мин-' и лежит несколько выше средкои°
изделия. Кроме того, для устройства / характер
(Ней^^^* "вменений положений наибольшего и наименьшего уровлиш^^^
различен. Это явление можно объяснить
Непос
форму кривых влияют различные факторы:
стоянство деформаций подвижных частей, их отрыв от конт
о
б
ы
223
мин
1
^
—
2
—
^
1:1::
1
г/
Рис. 140. Реальные амаяитудно-частотные характеристики
Рнс. 141. Схема головки для опп»,.
лсния перебега бабки
тролируемой поверхности н различие в характеристиках кспол.
нительных элементов, приводящих к появлению биений. Тавд
образом, если в устройствах типа 2 при обработке валов нлн
отверстий будут появляться примерно одинаковые дииамическв!
погрешности при изменении к а к амплитуды, так и частоты, та
использование устройств / , с точки зрения динамических погрешностей, для обработки отверстии предпочтительнее.
Экспериментальное определение времени запаздывания и п^
ребега кромки режущего инструмента з а уровень срабатывани!
без наличия обрабатываемого изделия. Время запаздывания отвода режущего инструмента и его перебег за уровень срабатывания являются важнейшими комплексными характеристиками
системы УАК—исполнительные органы станка. Д л я снятия этих
характеристик в производственных условиях используется методика, основатпгая на применении дополнительной измерительной
головки, схема которой представлена на рис. 141.
Перед проведением испытаний головка выставляется в заданное положение с помощью струбцин 10, 13—15. Д л я относительной стабилизации смещения уровня срабатывания датчик /,
подсоединенный к электронному блоку, в течение 20 мин прогревается. После этого маховиком ручной подачи медленно перемещают шлифовальную бабку 12 и определяют рабочий ход
наконечника 6 исследуемого датчика У, фиксируя значение этого хода по отсчетному прибору 3.
1 на заданный уровень срабатывания в
или п^рго
осуществляется перемещением упора 1
тоГ 2 П п г п Г Г '
^ ® струбцине 9, либо с помощью вйЯво^патно
настройки путем многократны
Ао ^ ^ ^ ^
перемеще15^ий шлифовальной бабки /
наст'р^оТн
Размер, на котоР
устанавливают о т . п ^ "
положении поворотом цифербла^
бабку Г в о д я т в и " п "
^
а шлифовальн^
у тводят в исходное положение. З а т е м шлифовальной
224
12 через определенные интервалы последовательно зада-^
^^ азличные скорости перемещения; от минимально возмож{от Рг ^,аксимальнон. Действительная скорость перемещения
л и может быть определена с помощью секундомера и отсчет^^ прибора 3 с наконечником 4, соприкасающимся с упором 5,
образцового датчика (помещенного в"^правку 11 вместо
""'^"бора 1) и электросекундомера. Отсчетный прибор 3 (напри"Р" индикатор с ценой деления 0,001 мм) позволяет т а к ж е опделить после получения команды на быстрый отвод шлнфойьио'"' бабки от датчика 1 значение ее перебега за уровень
"^^Вариация (нестабильность) перебега определяется при испытании на каждой из подач путем многократных (25—30 раз)
перемещений шлифовальной бабки. Отсчеты перебега позволяют найти среднее его значение и среднее квадратическое отклонение и, тем самым, определить по формуле Ад:=^срабУ время
срабатывания всей системы. Эти данные, кроме того, позволяют
установить зависимость величины перебега Лд: от подачи V.
Если известно собственное время срабатывания УАК, вычисленное, например, по изложенной выше методике на стенде,
и суммарное время запаздывания всей системы, можно определить время срабатывания исполнительных органов станка. Так,
эксперименты показали, что временное запаздывание исполнительных элементов станка ЗА151 составляет 0,059 ... 0,099 с, теоретическое его значение равно 0,043... 0,063 с, а время запаздывания моделирующей установки 0,06 ...0,071 с.
Экспериментальное определение смещения уровня срабатывания Б зависимости от изменения подач. Выбег кромки режущего инструмента за уровень срабатывания целиком переносится на размер обрабатываемого изделия. На выбег, как установлено выше, оказывает влияние значение поперечной подачи, время запаздывания командного сигнала, инерционность исполнительного устройства станка и значение натяга в системе перед
концом обработки.
Здесь излагается методика выявления влияния поперечной
подачи на смещение уровня настройки и на увеличение погрешности обработки. Такие , испытания позволяют установить предельную погрешность срабатывания в производственных услооб^^л^ ^^^ самым определить наивысшую достижимую точность
^ работки изделий с применением УАК. Однако для определея наивысшей производственной точности необходимо, по возустранить влияние на результаты обработки основ0 * "^Р^менных факторов: динамических погрешностей УАК,
Р мени срабатывания системы, колебаний подач, припусков и
температурных деформаций.
пого
влияния динамических (амплитудно-частотных)
решностей и припусков достигается тем, что заготовки пред225
варителыю отбираются по
данный свойствам: проще вс
го провести нх предварател!"
И^Дг* Г !
н>'Ю точную обработку, а зате^
-2
рассортировать па группы вза
внспмости от зпапення припус
ка II в дальнейшем использо^
-5
вать заготовки
одинакового
припуска. Такой отбор, естественно, необходим лишь для те*
-I
I
»н
станков, устройств и процессов
для которых наблюдается яв'
ная функциональная зависипеРис. 142. Ззвясямость значения
рс^игга ог подача
мость смещения уровня на.
стройки от значения припуска.
В противном случае такой отбор необходим лишь тогда, когда
он приводит к уменьшению динамических погрешностей.
ХЬтя процесса шлифования условиям устранения влияний
времени срабатывания, температурных деформаций и неравно'
мерпости натягов в системе в наибольшей степени удовлетворяет процесс окончательной обработки изделий методом выхаживания, т. е. обработки за счет предварительно созданных в системе натягов, ^ о т процесс съема слоя металла, толщиной в доли микрометров, в конце цикла шлифования позволяет почти
полностью исключить влияние на точность обработки неравномерности подачи и времени запаздывания, уменьшить влияние
температурных деформаций (так как процесс резания неинтенсивсн, участок контроля изделия успевает при подходе в зону
измерения почти полностью охладиться эмульсией) и за счет
уменьшения погрешностей формы изделий (являющихся технологическим свойством этого процесса) почти полностью исключить влияние инерционности системы.
Для исключения влияния температурных деформации деталей головки УАК к испытаниям необходимо приступить после
2—2,5 ч предварительной обработки изделий. Тогда смещение
центра группирования при ограниченном числе деталей (30шт.) (кривая 2 на графике рис. 135) будет нерезким, и
такую зависимость можно представить в другом виде (рис. 142).
Па этом графике нанесены систематические Доб и случайные боб
состапляющис образца, а также размеры, получаемь1е после обработки и температурной стабилизации. Характер расположения
изменяющихся размеров детали с учетом погрешностей формы
поэполист определить:
^
г
1) сумму систематической составляющей динамической погрешности Ддо., и погрешности настройки Ли или зная эту погрешность (Ди), вычислить динамическую составляющую;
220
%
_ 2) сумму случайных составляющих
характеризующих
рассеивание средних размеров обработанных изделий:
где б д л н — п р е д е л ь н о е значение динамической составляющей;
бялж —предельное значение составляющей, возникающей от изменения взаимного положения детали и головки; бипс —предельное значение составляющей, привносимой погрешностями измерительно-преобразующей системы, изнашивания ее Деталей
и т. п.; бдеф — предельное значение составляющей, возникающей
от силовых деформаций; бпс —предельное значение составляющей измерительного вторичного средства, с помощью которого
контролируется точность УАК; бпес —предельное значение составляющей, вызванной нестабильностью параметров источников
питания; бнав — предельное значение составляющей, возникающей вследствие посторонних наводок, помех и др.; би.у —предельное значение составляющей, возникающей от изменения измерительного усилия; во многих случаях доминирующее влияние на величину б'ц оказывает первый член подкоренного выражения этой формулы, поэтому величину
назовем предельной динамической погрешностью срабатывания.
3) полное рассеивание всех размеров контролируемого сечения 8л1 , т. е. рассеивание, учитывающее дополнительные погрешности формы,
4) систематическую составляющую температурной деформации изделий Л<, измеренную после температурной деформации
предельную температурную динамическую погрешность срабатывания
и «полное температурное рассеивание» всех размеров контролируемого сечения
Следует отметить, что при охлаждении валов форма детален изменяется незначительно, поэтому 8^ор2я:; 4ор1.
Охлаждение колец обычно приводит к изменению их формы, т. е.
Зная значение Д / . нетрудно рассчитать среднюю
температуру сходящих со станка деталей. Далее можно определить наименьшую динамическую погрешность срабатывания системы и следовательно, ее наивысшую производственную точность Эта методика заключается в следующем.
На вращающийся образец с допустимой погрешностью формы (например, не более ± 0 , 5 мкм) устанавливается измеритель227
г т п в к а УАК. С П О М О Щ Ь Ю регулировочного винта гщ.
п Г к о м Г д е « о н ^ ^ обработки> добиваются быстрого о т в > »
инструмента. Действительный уровень срабаты'ва^;;
Систем с д а т й к а м н а!1алоговогс) преобразования с и г н а л а >
- д а и в н ы м и , емкостными и т. п ) фиксируется осциллограф
чувствительностью не менее 10 мм/мкм (увеличение Ю о К
Затем задается рабочий цикл обработки с обязательным в ко1:
це его выхаживанием.
Для процесса шлифования обычно используют системы по.
двух цик-тах: двухступенчатом цикле подачи с постоянноП сГ
ростью и выхаживанием; многоступенчатом цикле (врезание,
черновая подача, быстрый реверс шлифовального круга, чист^
вая минимальная подача, выхаживание). В обоих случаях при.
пуск на выхаживание выбирается таким, чтобы съем металла
в конце обработки был минимальным.
Для двухст)'пеичатого цикла при обработке 50 вилок 025 мм
на станке для устройств / н 2 получены почти одинаковые данные, а именно в обоих случаях Дов=0,5 мкм, боб=1 мкм,
4-Дя=з2 мкм, « , 1 = 8 ц = 3 мкм, Д / . = 0 , н лишь для устройства 2
мкм, а для устройства 2 Ьи=Ь12^\
мки.
Следовательно, по сравнению со статической погрешностью
срабатывания динамическая погрешность увеличивается даже
при минимальных подачах примерно в 5 раз. Однако введение в
цикл обработки процесса выхаживания уменьшает производительность оборудования. Поэтому чистовую подачу чаще всего
делают отличной от нуля.
При возрастании конечной подачи, т. е. при отсутствии выхаживания, будет увеличиваться смещение центра группирования (Даии+Д«). Такое смещение вызывается временным запаздыванием и появлением температурных составляющих
Проявление этих двух факторов особенно наглядно заметно на гра
фнках типа представленного на рис. 143. Н а графике в качест
ве примера показано изменение положений центров рассеива
ния без учета и с учетом температурных деформаций при обработке вилок с шейкой 0 2 5 мм. Дополнительное смещение центра группирования при подаче 5| = 0,4 мм/мин составляло
- 1 0 мкм, а для подачи 52=1,2 мм/мин у ж е —Д52=24 мкм,
п р и этом появляется дополнительное температурное смегруппирования - Д , . = 2 0 мкм. Особенно наглядвип1 ^^пи;!»^''''
® ' ' О " ^ У ч а е . если его представнть в
группирования от подачи.
ж
у
щ
п
е
г
о
" Р ^ Д ^ а в л е н ш й на рис, 144 получен в результате
^ ^^^ ^ ^
"о^оры" были' и гр;
? о в а н Г в конц
Р"^но лишь при варь;
^ в а ё Г ч т о тепппп/о^^Г'"
"оДач". ^ ^ ^ т график пока^
вает. что тепловая деформация при подачах, близких к нул^
228
10
20
за
•Ннч+н^5 = \2мфшг
Х,ппп
Рис.
143. Другой вид зависимости значения перебега от по-
дачи
(режим выхаживания), невелика, и ею практически можно пренебречь. Поэтому график Дв=/(0) позволяет оценить наивысшую производственную точность обработки. С ростом подачи наблюдается не только смещение центра группирования, но и рост
погрешностей формы. Последнее обстоятельство приводит к увеличению рассеивания размеров (вследствие появления динамических составляющих за счет дополнительных вибраций) и к
отклонению закономерностей изменения положения центров рассеивания от линейного закона. Последний факт можно объяснить также тем, что действительная подача в конце цикла отличается от теоретической. После температурной стабилизации
рассеивание размеров несколько возрастает. При этом закон изменения положения центра группирования размеров еще в большей степени отличен от линейного, что может быть объяснено лишь сложностью функциональной зависимости теплового
\
насыщения детали от изменения подачи.
Испытания технологического оборудования с УАК на точиостную надежность. Отказы
функционирования составляют
х^тн
«ОЬ1ЧНО незначительную часть
"^"сла отказов иабоРис. 144. Зависимость значения переосновной прибега и тепловых деформаций от поиноа зтйх отказов является
дачи
229
необходимость наладки УАК вследствие недопустимого изм,,
ПИЯ уровня настройки, т. е. появления отказов точности нзгот^
ливаемых изделий.
Одним из рекомендуемых показателей точностной надеж»
сти является смещение настройки за время (о, например, веп!*
ятность того, что это время смещения настройки ие превыс!;
величины Ед. Однако этот показатель в случае управляюще
контроля мало приемлем (так как подобные испытания на 3,
данное время в производственных условиях будут сопровождать!
ся появлением бракованных изделий), и поэтому экономически
нецелесообразен. Удобнее в качестве показателя точностной ва.
дежности устройства управляющего контроля выбрать время
в течение которого смещение настройки не превысит нэперед заданного значения Сус- При испытании УАК совместно со
станком критерием точностной надежности может служить время /ст1 в течение которого смещение центра группирования раз.
меров обработанных деталей не превысит наперед заданного
значения ест.
Вторым немаловажным аспектом рассматриваемого вопроса
является выбор значений Сус и ест. Исходной величиной прв
определении уровней, характеризующих границы еус и ест, является предписанный допуск Гвр на обрабатываемые изделия. При
стендовых испытаниях УДК на точностную надежность принв.
мают Еус = (0,1-7-0,4)Гпр, в то время как при производственных
испытаниях — еус «=
Испытания могут проводиться до тех пор, пока один из уровней настройки или размер не достигнет контрольной граница
(границы поля допуска). Для того чтобы при определении времени безотказной работы уме1гьшить влияние фактора случайности, целесообразно после проведения испытаний определить
случайную 6(/) величину, характеризующую мгновенное рассеяние уровней настройки, и систематическую
а затем границы уровней Еус и ест провести на расстоянии /^6(0 от границ
допуска или его части и по виду функции /="(0 найти время /ус
или /ст.
Ниже приведены статистические данные (за восемь месяцев)
по числу вызовов наладчиков, обслуживающих УАК в одном из
цехов. В этом цеху, эксплуатируются станки, оснащенные головками с электроконтактными, пневмоэлектроконтактными я
индуктивными датчиками. Здесь представлены лишь причина
вызовов, которые имели место за указанный период не менее
5 раз. Наибольшее число вызовов (более 53од^ гвязано с наладкой (настройкой) УАК на требуемый размер
Прнчинои смещения настройки я в л я е т ^ влияние внешних
чайное воздействие в виде уда^р^
230
пр»„„, .„зо.а
Шл&И^ голоьок и релейных блоков . . . . . . . .
Замена ( в ш о д н з строя) датчика
,
о,.
^^^
Замена (выход из строя) головки
Ложный вызов (отказ из-за расстройства станка)
Замена (выход из строя) релебиого блока'
04
Замена я регулировка пружин
Обрив проводов
Замена (ремонт) реле . . ,
Чистка контактов реле
Перегорание лампочки
Замена (изнашивание) наконечников
Прочие
«
,
о
'
! ! !
Итого:
'
'
Ю
7
5
5
5
41
435
вводе головки в работу или при недостаточной квалификации
рабочего, обслуживающего станок. Указанные причины могут
быть почти целиком устранены при полной автоматизации всех
операций управляющего контроля. Для этого необходимо создавать системы не только с широкими пределами измерения, но
и с автоматическим вводом головки в работу, осуществляющие
самонастройку в зависимости от результатов априорной и апостериорной информации об изменяющемся контролируемом параметре.
Испытания системы управляющего контроля на точностную
надежность могут проводиться до наступления первого отказа
точности, т. е. до перехода уровня настройки за установленную границу (допуска). Такой метод является приемлемым при
испытаи1ш УАК на станке в производственных условиях, так
как продолжение испытании может привести к появлению бракованной продукции.
При испытании устройства УАК в лабораторных условиях
можно также фиксировать положение уровня настройки до заданного момента, например, до истечения 8 ч работы. Следует
отметить, что лспытание на надежность отдельных экземпляров
устройства еще не может выявить полной картины его «качеств а / Поэтому необходимо проводить испытания нескольких ( п >
50) устройств, что связано с определенными трудностями и эко-
помическнмл затратами.
Для
статистнческои оценки
результатов
нужно
определить
закшг оаспределения времени безотказной работы, математическое ожидание и дисперсию случайного времени безотказной
оаботы а затем оценить точность нахождения параметров испытаний Для выявления закона распределения результаты измегоуппируются по интервалам так, чтобы в к а ж д о м интервале ч и й о измерений было бы не менее пяти, а число классов
не менее
а затем по гистограмме распределения делается вып р
и
й
231
вод о виде закона распределения, приемлемость которог
навливается с помощью одного из критериев согласия
тическая обработка результатов испытаиии описана в л ^
туре [41 и др.
•
НОСТЬ для у с т р о й с т в а
у1фиилй1ищчи л и и ц ш л я ианООЛее по»
дит метод Монте-Карло, т а к как в большинстве случаев сц1
ние настройки можно представить в виде суммы песлучай!!
функций времени, которые могут быть отображены поликои!
не выше второй степени, и стаиноиарной случайной функщц,
нулевым математическим ожиданием и с корреляционной фув^
цией вида
( с о 5 р г + у 5 т М т 11.
I
I
Зная математическое ожидание (неслучайную функцию ьре.
меки) и корреляционную функцию /Сх(т) и задаваясь временем
безотказной работы
на ЭВМ фиксируют момент выхода
этой функции за пределы допустимого интервала и определяют
вероятность того, что за время Гба параметр системы не выйдет за данные границы. Такая методика является приемлемой
при испытании линейной динамической системы, поведение которой может быть описано дифференциальным уравнением второго порядка. Следовательно, рассматриваемая методика может быть использована для оценки точностной надежности лишь
отдельных блоков УАК, например датчиков.
Испытания УАК на точностную надежность состоят в непре-'
рывном или периодическом определении точности. При этом необходимо выдержать стабильные условия проведения испыта-.
НИИ, позволяющие определить наивысшую надежность самого;
устройства и наивысшую надежность оборудования, оснащен-'
иого устройством управляющего контроля.
о качестве и надежности управля-^
ющего контроля можно вынести только в результате производ-,
т"еГ о Г а Г т ' Г '
У А к 1 ? е ^ о ™
Ге^и;ь п ^ ч и и »
испытание не позволяет опре-,,
ка^^вешю^
вызваны ли они недобро-,
бГюд^ниём у с ^ о в и Г . ^ п ? «^"«-^"ения самого устройства, песоз'нпы^^^^^^^^
или вследст^е^ причин сВ ' ,
Следователыю можТп п ^ " технологическим процессор,
принципиально Р у
ний на точностную надежность- п '
проведения испы /
ных рабочих условиях, ио с
испытаний в иорМ^ .
определенных параметров
варьирование ;
го процесса и оборудоваиия^^^'®"^^^^ ^Р^ДЬг, технологически
ження уровня настройки устоо^та^^^п?"'^®^^®" поверкой пол
23^
н^^иства, 2) схему испытании с
гйотреняем влияния на точностную надежность какого-либо наперед выбранного параметра при подавлении в разумных пределах влияния других параметров, и наконец, з) схему испыханий, позволяющую исследовать совместное влияние двух и
большего числа параметров. Последняя схема испытаний наиболее трудоемка, требует разработки и изготовления специальных стендов, по тем не менее обладает наиболее широкими экспериментальными возможностями.
Цель испытаний на заводах, изготовляющих и использующих УАК, — не столько в получении сравнимых данных по различным типам устройств, сколько в выявлении условий, при которых точностная надежность будет наивысшей, т. е. факторов,
в значительной мере недопустимо изменяющих характеристики
устройств. Такой подход к проведению испытаний на надежность
позволяет наметить пути ее увеличения.
Испытания различают по длительности проведения: кратковременные испытания проводятся с целью выявления текущего
показателя данного устройства или станка, а длительные испытания, которым подвергаются лишь отдельные единицы оборудовакия, производятся с целью выявления изменения этого показателя со временем (смещение настройки или изменения мгновенного рассеивания).
Одной из центральных проблем испытаний УАК является
проведение ускоренных испытаний вместо обычных длительных.
Так как ускоренные испытания в рабочих условиях или близких к ним затруднительны, то эти испытания возможны лишь
с целью изучения влияния на надежность отдельных факторов
(например, изнашивания, старения элементов электросхемы при
ее включенном состоянии и т. п.). Можно рассчитать смещение
центра группирования размеров при изменении определенного
параметра системы или, зная производственные изменения какого-либо параметра, определить возможное значение недопустимого смещения уровня настройки.
К дифференцированным поверкам в лабораторных условиях относят выявление влияния на точностную надежность таких привходящих факторов, как нестабильность источников питания, наводка и помехи, пыль и влажность среды, изменение
ее температуры, влияние вибраций и т. п.
Для оценки точностной надежности в производственных условиях достаточно иметь графики изменения во времени размеров обработанных деталей, построенные по типу графиков, представленных на рис. 134, 135. При этом желательно, чтобы пев течение которого не производилось каких-либо изменений технологического процесса (правок кругов, изменения скоростей резания и подач и т. д.), при настройке УАК был возможно большим.
233
В результате постросц.,
скольких графиков станов ^
возможным охарактеризо''^
точностную надежность ^^
ка, оснащенного УАК.
По одной пз ВОЗМОЖНЩь.
тоднк, и м е я ' ряд реализа^
( л ^ 1 5 ) нзменепня уровня в|
стройки вида, представлешю!,
на рис. 134, и используя гр,
фнческнй метод (или ЭВМ
наносят на прозрачной бумаЦ
ряд горизонтальных линий, {Ц.
:о
60 и 30 юь
стоящих друг от друга нам.
данные
расстояния
Рис. 1 4 5 . Х а р а т р к с т и н безотказ±
е
с
т
2
»
т.
д. Затем последомной работы
тельио смещая качало отсчш
по лнннн 2, наблюдают пересечение уровней ±8ст1, ±ест2НТ1
с ломаными 1, характеризующими реальные изменения обработайных изделий. Эти статистические данные, т. е. зависимосп
времени (числа обработанных изделий), характеризующего выход уровня настройки при заданных границах допуска, занося
в таблицу. Затем по этим данным строят графики (рнс. 145),характеризующие безотказность работы Р станка как функцию продолжительности его работы (л) и производственного допуска Т.
Вполне закоиомерио.что с ростом числа обработанных детале!
или с уменьшением допуска на обработку вероятность выхода
за предписа1п1ые границы возрастает. Графики, представленное
на рис. 1 4 5 , с помощью интерполяции позволяют о п р е д е л и т ь эту
вероятность для любых промежуточных значений д о п у с к о в иле
найти экономически выгодное число деталей после обработкя
которых необходима ручная или автоматическая коррекции
уровня настройки.
I
Влияние на точность обработки изменений технологнчесних
характеристик оборудования. Как было установлено, на смещ^
нне центра гру ппирования оказывают существенное влияние инерционность всей системы, действительная скорость обработки в
конце цикла и тепловые деформации и з д е л ^ . Непостоянство
этих составляющих в значительной степени оп^^^^^
изменением технологических характеристик Г б ^ у Х а н и я . Выявлению влияния упомянутых факторов на т о ч т ю ^ ^ ^ ^
костн. Скорость изменения размера в конце ц п ^ Г о п р а д ^ я е т с Я
234
натягами в технологической системе, которые в свою очередь
зависят от подачи, припуска, режущих свойств инструмента, скорости резания и т. п.
Как показано в работе [II]. при одноступенчатом цикле с
ростом припуска увеличивается натяг системы и фактическая
подача в конце цикла возрастает, а с увеличением слоя, снимаемого при выхаживании (при двухэлементном цикле) фактичеекая подача в конце цикла, напротив, уменьшается. Тем самым
увеличение припуска и уменьшение слоя, снимаемого при выхаживанин валов, приводит к возрастанию абсолютной величины смещения центра группирования размеров деталей.
При мпогоэлементиых циклах в каждый из моментов времени интенсивность нагрева изделий и значения натягов различны. В зависимости от принятых циклов может наблюдаться
смещение центров группирования размеров при росте припуска
в сторону как увеличения, так и уменьшения размеров. Однако
соответствующим подбором элементов цикла это влияние припуска можно почти полностью скомпенсировать, получив незначительное смещение центра группирования и малое значение
рассеивания.
С течением времени режущий инструмент изнашивается и
притупляется. Изнашивание инструмента косвенным путем оказывает влияние на смещение центра группирования. Это объясняется тем, что изменение подачи приводит к изменению силы
резания и натягов в технологической системе. Изнашивание инструмента может оказывать существенное влияние лишь на точность обработки при внутреннем шлифовании малых отверстий.
• Вследствие больших деформаций изделия затупление более
всего сказывается при контроле с помощью одноточечных устройств. Затупление режущего инструмента приводит к увеличению натягов в системе, так как вызывает изменение подачи в
конце цикла и к большему нагреву сходящих со станка изделий, что в свою очередь вызывает дополнительтельное смещение центра группирования. Кроме того, перед правкой появляется и более резко выраженное рассеивание размеров изделий,
' Однако следует заметить, что хотя изменение технологических факторов и может оказывать воздействие на смещение
ДентрГгруппирования или на рассеивание разме1!ов. тем не
менее при Нормальном и стабильном технологическом процессе
снее, при иурм^^'
сведено к минимальному. Кроме того,
их влияние
элементов цикла и их соотношений
рациональный выбор чи^
^^^ ^^^^^^^ режущих инструменсвоевремениая
охлаждающей системы станка,
тов, увеличение о
^ стабильными или незначительно измеУ п о т р е б л е н и е заготовок ^^^^^^^^^^ достичь с помощью управняющимися свойствам
обработки,
ляющего контроля
235
Анализ технологических приемов н конструкций с по,,
ционального выбора режимов обработки, требований к
му инструменту, выбора частоты его правки, требований
рудованию не относится непосредственно к теме настояшрЛ
боты и поэтому подробно не рассматривается. На рис.
^
ведены общие сведения по исследованию характеристик оп ^^^
ляющих точность и надежность управляющего контроля.
Оценка доверительной области (точности измерения)
ченных данных при испытаниях УАК. Оценка точности пол!!^'
иых характеристик УАК позволяет судить о степени досш^
ности этих результатов и наметить порядок их исследованаП
тем, чтобы, по возможности, устранить влияние переменных вЛ
раметров.
I
Можно предложить две методики оценки точности проведен,
иых испытаний прибора.
|
По первой из них снимаются все необходимые характервстн !
кн УАК. а затем производится оценка их точности.
|
По второй методике такая оценка производится сразу 8{|
после снятия характеристик. Эта методика приемлема лащ!
после проведения предварительных испытаний.
|
После построения всех характеристик по первой методик
можно перейти к оценке погрешности снятия характернствка
Если считать, что для данного конкретного измерения все со-1
ставляющие погрешности являются некоррелированными и случайными и значения их не превышают предельных, то суммаИ
ная погрешность результата измерения может быть найдена и
формуле
11
В формуле (58) фигурируют лишь основные с о с т а в л я ю щ и е !
« я е с - п р е д е л ь н о е значение погрешпнГя^иа"
нестабильностью характеристик источникоЛ
р Д п ^ к ^ м и ппТ^Г]?.®^^''^"®^ значение погрешности, вызванной
паводками посторонних источников;
поедельное з н а ч Н
изменеАиеГтемпе^атуГы ок^^^^^
гоешности в ы з й я н п л й «
п С у ^
^
•
предельное значение попостоянства измерите-!!;
^"/^ение погрешности, в ы з в а ^
значение погрешности обоазнпД^
ности срабатывания.
времени; е н с - с у м м Р
средства с учетом погре"!
н е о ^ Г м о ' з С ь " ее'сос"^
суммарную и о г р е ш к ^
определить, имея
составляющие м о ^
или табулированные характРпи^Р^Ф"'^®^'^"®. ф у н к ц и о н а л ь н а
^ "ернстики и зная пределы их
^01/аЬ дпнзшзпзппд чтоижадвн „рышоонТ^
ипнадодМоав
хпяэлмшонхзш апнипид
Г1|
пившад пвзысо/} он пнрдои лшхн/о)/] апныпуд |
лу^д^ гэза/^эи я чпнрд/чдсоурс
^ма/^
»1чыц/0шзрн'0нд/1шпиину |
паиошзд до/^аисо// чшзон^ипд^рш! п чшзонло^
I
I
чпЬхм/гф нондоха11$1]
]
§
о.
н
=
О
п>1пшзп1}аш)1011рх а/чншошзрн-ридИшпииыу
[
шпивдпшодо^з ьчадд
'П}(пшзп^ашир1/о* а/чдоеоф-еншошзв/,
«I
ашодр//)! вдшзпо1/шз^тзондошог
115
«I
О.
. вмпмАаномои огончиашпраысп вдох
ого»шр1/до п огомис/и ппивдтшвдваз щипото!/
упит щзонпанпми п ыпнаиад вна^ |
|
пмпог/шзвн
чнадо(1^вн апныпид ога л ат/пз/! авнчиашпоаисц
«к1
и
ё%
н
пнзиз1/д од пиподшзви апиаЬ1ан]
о)
X
а
п>*по({шзвн чшэомта(1201}
к
кпмвд1Чшодо()з ипЬвт^од п чшхн1пз1}7ои
Iс?
а.
со |
ппо1/ш}И11.п1/РШяд ипизукаиои пашзомтаЛои зпивпуд
ьоГ
до)1пмШ10>10н х/чнчиашт^зиеп дох пптти п ппмду^
III
К 5
вдодп^и чш'}оимдао11дпд п щшзодпипошзШдпд
сэ
ос
пдэЛ па'тгношМио пёИшо^зимаш апнчпид |
3
1чдас1з пшхн^вид п пшчи апнчпид
хододои апннпид
т
РЗ
(О
в:
О.
епнвшри доппн/^отзп пшзончипдвшэан зпняпид
237
меяенйя. При изъятии одной из характеристик, входящих,,
коренное выражение (58), и оценке погрешности их о п р >
ГиГсоответствующая составляющая (58) будет отсутс/во^
Приведенное выше выражение (58) позволяет сформу>
вать условия качественного проведения испытаний УДК: п
должно быть подк,1Ючено к стабилизированному источник
тания; 2) УАК должно быть изолировано от другого раб!?!
щего оборудования или испытания должны проходить в
бочие (ночные) часы; 3) испытания должны проводиться в т1
мостатическом помещении; 4) для незначительных изменен
измерительного усилия перемещения измерительного иаконм
ника должны быть минимальными); 5) испытания Должны пп1
водиться после относительной стабилизации уровня срабатывз
иия УАК и в возможно меньший промежуток времени; 6) об!
разцовое средство должно быть высокой точности.
Для примера определим суммарную погрешность (достовер.
ность) оценки результатов измерения нелинейности шкалы УАк
2. Пусть стабилизированный источник позволяет выдержать
напряжение с колебанием, не превышающим ± 1 % , на основаНИИ графика (см. табл. 7 п. 1) находим, что экспериментальна
зависимость может быть представлена в виде прямой с коэффициентом пропорциональности, равным 0,005 мкм/В, тогда
С в е с «=0,005-2,6 = 0,012 мкм.
Далее принимаем, что при проведении эксперимента н ш ш
посторонних установок в работе не находилось, т. е. практически
наводка отсутствовала, поэтому епаш=0. По данным для подобных УАК Сдельная температурная погрешность составляет
0,25 мкм/1®С. В условиях проведения испытаний температурная
погрешность е-геэт=0,25 мкм. Вибрация при испытаниях отсутствовала. В противном случае необходимо было бы знать частоту
и амплитуду привходящей вибрации и по графику д и н а м и ч е с к о й
погрешности определить ее значение.
Найдем составляющую погрешности, вызванную непостоявством измерительного усилия. Удельная погрешность измеренвн
при изменении гамерительного усилия для этих УАК составляет
0,023 мкм/Н. Оценка нелинейности шкалы проводилась при ходе
измерительного наконечника в пределах 100 мкм. При э т о м ходе
"змерительное усилие (на основании табл. 8 п. 6) составляет
'^0,8 Н. Следовательно, погрешность, вызванная н е п о с т о я н с т в о »
измерительного усилия, ец.у=0,23-0.8=0,185 мкм. Найдем пр^
дельное значение погрешности вследствие смещения уровня н '
стронки во времени. Испытания проводились после стабили а*
цни смещения уровня настройки в течение 2—3 ч и заняли 15
(см- табл. 8 п. 2) погрешность ^
ставит (при уд^ьном изменении уровня настройки в 0.1 мкм
«ГдЛ.. Г " значение погрешности образцов ^
средства (оптиметра) с учетом погрешности срабатывания
238
Зп. О с н с = 0 , 1 5 мкм. Т а к и м образом, г р а ф п к . х а п а к т е п н
Х и й нелинейность ш к а л ы УАК (см. т а б ^ . 8 п 7), построен с
Грешностью, не превышающей
построен с
±0,35 мкм.
Высокие требования к точности полученных д а н н ы х
медиального оборудования помещения и соблюле^/и Л п п ^ ^ ^
условий испытаний. П р и оценке д о ^ п ^ к и о ?
определену?ь/агов испытаний в п р о ^ в о д с т в е „ н Г ? «
Р^'
Являющих, входящих в в ы р а ж е н и е (68К нёсколькп
определяется характером этих испытани1{ о д н а к о п п ^
"
методика вычисления доверительной о б л а с Т п г т Л ? ^ ' ^ ' ' ® ^ ® " " ^ ^
ной. Более подробно вопросы оценки н а л р ж ^
"еизмен^ров для линейных намерений р а с с м о т р е н ы в
г
А
•1
У
Г|
'>
Ч
ТЗ
1и
%
ч.
ГЛАВА 9
АВТОМАТИЧЕСКОЕ Т Е Х Н И Ч Е С К О Е
ДИАГНОСТИРОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЯ
I.ТЕХНИЧЕСКОЕ ДНАГПОСТНРОВАИПЕ
И ЕГО ПОКАЗАТЕЛИ
В настоящее время резко возросли требования к)«.
шинам, аппаратам и приборам в области их надежности. Д.^,
того чтобы оценить надежность какого-либо объекта, необходим
знать его техническое состояние. В соответствии с ГОСТ
20911—75 процесс определения с известной точностью тевдч{.
ского состояния объекта называется техническим диагности[№
ванием. Результатом такого диагностирования должно бытьз»
ключенне о техническом состоянии объекта с указанием, еа
это необходимо, места, вида н причины дефекта.
Совокупность средств, объекта и исполнителей, осуществлющих диагностирование, называется системой технического диагностирования. Правила, по которым должно осуществлятш
диагностирование, называют алгоритмом технического диагно
стнрования.
Эффективность технического диагностирования определяете!
в соответствии с ГОСТ 23564—79 следующими показателями.
1. Вероятностью ошибки диагностирования, под которой по;
иимают вероятность Рц совместного наступления двух событй:
объект диагностирования находится в техническом состоянии!,
а в результате диагностирования признано, что он находится»
техническом состоянии }. Если
то Рц является вероятность»
правильного определения технического состояния I объекта.
2. Апостериорной вероятностью ошибки диагностировав^.
вероятность Р ^
нахождения объекта днг^;
ностирования в состоянии I при условии, что получен результа'
диагно^тирова^шя. по которому объект ^ а х а д и т с ^ в состоянии,
вероятностью лр=
я Нрплатио/.^с.!! „ технического СОСТОЯНИЯ объскта.
5. Средней стоимостью Диагностирования С
240
н и я ^ ' ^ ' ' " " " ' ' ""'Р"*"""""' продолжительностью диагиостпр»»';
б. Средней оператнвнои трудоемкостью диагностирования 5л.
Глубиной поиска дефекта, т. е. указанием составных чагтей объекта пли их участков, с точностью до которых опредепяется место дефекта.
^,
^
Следует сразу подчеркнуть, что далеко не все машины, "йппараты или приборы, выпускаемые промышленностью, могут быть
подвергнуты диагностированию. Для осуществления диагностирования необходимо, чтобы контролируемый объект был контро;1еПрИГ0ДПЫМ.
Под контролепригодностью понимают программно-аппаратурную приспособленность объекта к техническому диагностированию в процессе его производства, эксплуатации и ремонта в соответствии с заданными требованиями к эффективности диагностирования, а также взаимную согласованность характеристик
изделии, методов диагностирования и характеристик средств
диагностирования. Контролепригодность изделий должна обеспечиваться на стадиях разработки и их изготовления.
Контролепригодность изделий характеризуется следующими
показателями:
коэффициентом полноты проверки исправности (работоспособности, правильного функционирования);
коэффициентом глубины поиска дефекта;
длиной теста диагностирования;
средним временем подготовки объекта к диагностированию
заданным числом специалистов;
, средней трудоемкостью подготовки изделий к диагностированию:
,, коэффициентом избыточности объекта, т. е. относительной
массой или объемом составных частей объекта, не участвующих
в диагностировании;
,
^
' коэффициентом унификации устройств сопряжения объекта
со средствами диагностирования;
коэффициентом унификации параметров сигналов объекта;
- коэффициентом трудоемкости подготовки объекта к диагно" " к о э ф ф и ц и н т о м использования специальных средств диагно" " д а в н е м контролепригодности при дифференциальных и комп"''''Рез^льТаГдиагностир^
зависит не только от состояния
о б ъ е к т Г н о и от требований, предъявляемых к объекту при диагьекта, но и
-поеделяются назначением объекта. Поэтому
ностировании, ^ о ^ °7прежде всего необходимо выявить диагРи диагностиров
^^ значениям которых должен опреденостические п^раметр^^' результат диагностирования. Таких паляться или
произвольное количество, однако необхораметров может
увеличением количества диагностических
Димо учитывать, что /
'
241
параметров, как правило, возрастают трудоемкость дна..^
рования и сложноаь средств диагностирования. Поэтому о >
число параметров диагностирования ограничивается 2^6
метрамиОбычно выбор диагностических параметров предста»,,
значительную трудность. Во-первых, желательно использов^^
комплексные параметры, так как контроль одного или двухт,?
параметров позволяет судить о функционировании объекта о?
нако для большинства объектов такие параметры еще не вы,;
лены, и для их выявления необходимо проводить исследовать,;^
скую работу. Во-вторых, контроль д а ж е всех параметров, р^л,
ментированных в технических условиях на объект днагноств^
вания, обычно не позволяет с полной достоверностью судить
функционировании объекта и, следовательно, необходимо вводить дополнительные параметры.
В качестве примера можно привести диагностирование по;,
шнпников качения. На них ГОСТом установлен ряд параметре?;
осевой зазор, биения, геометрические размеры. Однако их ковтроль не обеспечивает достоверного диагностирования, и поэто51у
на протяжении многих лет изыскиваются комплексные парамиры, которые более полно позволяли бы проводить диагностирование подшипников.
После выбора диагностических параметров необходимо уаа
новнть нх номинальные значения для объекта исследования п а
допустимые предельные значения.
При диагностировании необходимо также учитывать погрешности измерения диагностических параметров, так как при
лнченин зтнх погрешностей возрастает вероятность ошибки дигг-.
ностирования.
2. РАСЧЕТ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ
ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
И КОНТРОЛЕПРИГОДНОСТИ
Результат диагностирования зависит от погрешностей
средств диагностирования, а вероятность ошибки диагностиро;
вания, кроме того, зависит от вероятностей появления р а з л и ч н а
технических состояний объекта диагностирования. Поэтому Дпроведения расчета показателей диагностирования необходим»
знать вероятности появления тех или и н ы х технических состс);
НИИ объекта.
Необходимо также оценить продолжительность собственно
диагностирования и продолжителыюстГвс^о^огательных опе
Ниже приводятся в качесгпр
^
(табл. 9 . 1 0 ) . которое
Г'„°еред1^
чении показателей диагностирования
242
бланк"'
ниемз»»
"
Таблица 9
Д|нные для расчета вероятности ошибок диагностирования
Составяая
часть
объекта
Днагяостяческвй
параиетр
Ноиявальное
вяаченве
параыетра
Предельное
вначеняе
параметра
V
V
Среднее
каадратяческое
отклонеяяе
^у)
погрешяостя
яэмереяяя
параметра
(Г
аяцу
пцу
•
Таблшца 10
Данные для расчета экономических показателей диагностирования
Продолжительность
Номер
технического
состояяяя (
Шифр
технического
состояния
диагностяровання
вспомогательных
операцвА
Средняя
стоимость
диагностяровання
Вероятность
определенного
технического
состояния
Ро^
• Вероятность ошибки диагностирования Л / определяется по
формуле
епа п»
/-1
Г-1
где Л'—ЧИСЛО технических состояний средства диагностирования;
априорная вероятность нахождения объекта диагностирования в состоянии /;
то же, для средства диагностирования
в состоянии /• Р11—условная вероятность того, что в результате
диагностирования объект будет признан находящимся в состоян и и / при условии, что он находится в состоянии « и средство
-диагностирования находится в состоянии I; Я / х - условная вероятность получения результата <объект диагностирования находится в состоянии }> при условии, что средства диагностирования находятся в состоянии /; Я///— условная вероятность нахождения объекта в состоянии / при условиях, что получен результат 4:объект диагностирования находится в состоянии /» и
средство диагностирования находится в состоянии /.
243
Оценку вероятности ошибки диагностирования вычнсля
формуле
у»
где А/и —общее число операций диагностирования объекта
ходящегося в соаоянии I, средством диагностирования, на^о!
щимся в состоянии I: пи — число испытаний, при которых систем,
диагностирования зафиксировала состояние /. Вероятиоств
и
определяются методами теории надежиоспг.
Если состояние объекта диагиостироваиия определяется сов^
купностью л независимых диагностических параметров и среда,
во диагностирования различает 2" состояния объекта, то верея:,
ность Рц вычисляют по формуле
к
п
/-1
«-1
где
Рж—Оу»! если в состояниях III / объекта диагностичесхй
параметр V находится в поле допуска при условии, что средстм
диагностирования находится п состоянии I (последнее услова
должно выполняться и для всех приведенных ниже определенй
Ь м ^ а » / . если в состоянии I объекта диагностический параметр V находится в поле допуска, а в состоянии / он ВЫХОДЙТЗЦ
пределы поля допуска; /^^V^=РVI, если в состоянии I объектаунаходится вне поля допуска, а в состоянии / этот параметр входл
в поле допуска;
1 — Ру — РV^ если в состояниях I и / параметр V находится вне поля допуска; Ру —априорная вероятное^'
нахождения параметра V в пределах поля допуска; аV^ —вероятность совместного наступления двух событий; параметр V находится в поле допуска, а считается находящимся вне поля дос|ска;
— вероятность совместного наступления двух событ^
параметр V находится вне поля допуска, а считается находяши»'"
ся в его пределах.
>
Для с и а е м диагностирования, предназначенных только Д^
• проверки работоспособности объекта, возможны два состояниеобъект работоспособен и объект неработоспособен:
И?'
этом значения индексов I и / соответствуют следующим состо»'
ниям объекта:
(/=!)-работоспособное и / = 2
работоспособное. Для такой системы возможны два вида о0
бок: 1 = 1 и / = 2 т е. объект работоспособен, а признан нер^
тоспособным, и ^ = 2 .
I. т. е. объект неработоспособен, а «
знан работоспособным. Этим случаям соответствуют вероятности Р,2 и Р , ь которые рассчитывают по формулам
Ш т
244
где Р,о — а п р и о р н а я вероятность нахождения объекта в работоспособном состоянии;
—
же, для объекта диагностирования в неработоспособном состоянии; все остальные символы представляют собой условные вероятности при средстве диагностирования, находящемся в состоянии I: Р^и-- признания работоспособного объекта неработоспособным; Я ш — признания неработоспособного объекта работоспособным; Яг/—признания объекта неработоспособным; Я?/ —то же, работоспособным; Р ш —
нахождения объекта диагностирования в работоспособном состоянии при получении результата диагностирования «объект находится в неработоспособном состоянии» и Рги— нахождения
объекта диагностирования в неработоспособном состоянии при
результате диагностирования ^объект работоспособен».
В тех случаях, когда состояние объекта определяется совокупностью п независимых диагностических параметров, вероятности ошибок Я12 и Р21 вычисляют по формулам
А
'12=
.у-!
П
(
Л
(60)
П
/-1
Возможен случай, когда средство диагностирования может
находиться в одном из трех состояний: / = 1 — работоспособность
при правильной индикации своего состояния; 1=2—неработоспособность при индикации работоспособности средства измерения
и работоспособности объекта при любом его состоянии; / = 3 —
неработоспособность при индикации работоспособности средства
измерения и неработоспособности объекта при любом его состоянии. В этом случае вероятности ошибок вычисляют по формулам
Если при тех же возможных состояниях средства диагностирования состояние объекта диагностирования определяется совокупностью п независимых диагностических параметров, то вероятности ошибок рассчитывают по формулам
л
п
«-1
245
+Р1
(
.--ил
Л
\
.
Следует иметь в виду, что если какой-либо
« и д параметров не проверяется, то д л я иего ^ о ^ ^ ^ п ^ о с т , ,
В тех случаях, когда вероятность откоытыг п
диагностирования пренебрежимо мала, с л е ^
Лттго состояния объекта и средств диагностирования ( | =
ботоспособном при индикации своего работоспособ..2) «
н всегда неработоспособного состояния объекта
»°'^пг?^шоваиня ( / = 3 ) , вероятность правильного диагностиро^«^Гя вычисляют по формуле
П (1 -
"гР^ П (1 - Л).
1»-!
- -
V-1
«-1
Нсли вероятность с к р . т н х отказов средств диагностирования
пренебрежимо мала, то
Средняя оперативная продолжительность диагностирования
определяется по формуле
1-1
1-1
Вероятность правильного л.;:г„ост„рова„ия
-«е„кааеро,т„ост„„рза.ь«огод„а11„ро.,„„.
т
1-1
гдет{ — средняя оперативная продолжительность диагностирования объекта, находящегося в состоянии 1; т — оперативная продолжительность диагностирования объекта, находящегося в состоянии I при условии, что средство диагностирования находится
в состоянии I.
,, Величина ц включает продолжительность выполнения вспомогательных операций и продолжительность собственно диагностирования.
Оценку средней оперативной продолжительности диагностирования проводят по формулеN т
При АПг=2
е-1
В тех случаях, когда состояние объекта д и а г н о с т и р о в а я м
определяется совокупностью п независимых д и а г н о с т и ч е с к и х
раметров и средство диагностирования различает
состоянз»
объектов, вероятность правильного диагностирования
где т/д —оперативная продолжительность диагностирования объекта. находящегося в состоянии I при ^-м испытании.
Средняя стоимость диагностирования определяется по формуле
Д
своего состояния
246
, ) . нерГ^^^^^^^^^^^^^^
/-1
/=1
где С{ —средняя стоимость диагностирования объекта, находяи;егося в состоянии /; С« — стоимость диагностирования объекта, находящегося в состоянии 1 при условии, что средство диагностирования находится в состоянии /.
247
Величина Сг включает амортизационные затраты тщ
стироваиин, затраты на эксплуатацию системы диагй1!?>
кия и затраты, связаипыг с изнашиванием объекта в в
дкагкостиропаппя.
Средняя опсратизиая трудоемкость диагностирования
рдеяета^^
т
Гм
1-1
1-1
где 5д{ —средняя оперативная трудоемкость днагностирол^.]
при нахождении объекта в состоянии г, 5я« —оперативная 1>
доемкость диагностирования объекта, находящегося в сосгея^)'
I при условии, что средство диагностирования находится в сосг'
янии /.
.
,
Оценку средней оперативной трудоемкости днагности1Х1ва2;'
проводят по формуле
.V т
«
I
Измерительное усилие, мН
Погрешность измерения, %
,Козффпцнс11Т передачи схсмм
Ч) вствнтслышсть,
ватсля. мкВ/мкм
прсобрзю
о
I,
Г-1 /-1
Предположим, что С Д о б с л у ж и в а ю т д д а с п а р а т ^ р а .
з:
где
— оперативная трудоемкость диагностирования объехц! процессе отладки системы у ч а с т в у ю т аба операнда, а и щтишгс:
находящегося в состоянии / при я-м испытании.
собственно д и а г н о с т и р о в а н и я — тольш ахггг аз ппл„
Рассмотрим пример расчета показателей диагностнровага'
Расчет начинается'с.определениа шд.глщсяаиньит
подобный приведенному в ГОСТ 23564—79. В качестве объш
диагностирования возьмем контрольный автомат, состоящий! д л я Д П с д в у с т о р о н н и м д о п у с к о м
двух блоков: механической части автомата с приводом (блох!)
А'р, — I
I
контролирующей части с преобразователяс
(олок 2). Диагностирование должно обеспечить контрольтеда
для Д П с о д н о с т о р о н н и м Допуском
.и
диагностирования (ОД) с глубиай
с т ^ ш . Л ^ ^ ^ ^ ^ ДО блока. Д л я характеристики технического
Лр,—
м ^ п Т т т ^^
четыре диагностических парИ
четах поимки и х Г " "
приведены в табл. 11. Прирз^;
Затем определяем
нормальные распределения с;
нияи ^
номинальным зна^,
Полученные значения э г о т о г н т с я к ^
« т^гйл.
г Т Л ^ ' ;
отклонениями . .
Затем определяют псроятиосгн
средства диагностировав^
Iг
«о
ш^^ное'ра^^^^^^^^^
(ПИ), и м е ю щ и м и
^
ми и средними Г а д р а т и ч ^^^^^^^
которых приведены н и ж е Т т а б / П ^ ^ ^
^
про^еГ
отказов С Д показалП-^^^^^
с вероятностью я н а х о д и т ь с я
в состо ^
Р2''=0,01 н в состоянии
' состоянии 1 = 2 с в е р о я т н о с т ь
"""
с вероятностью Р з « = 0 . 0 2 .
I
2л —.Г
Т
7-185
\
'к.
I
2л
I I
+1
^
'я
Результаты расчета занесены в табл. 12.
,
Вероятность того, что диагпостическин параметр находится
допустимых пределах, для Д П с двусторонпим допуском
для Д П с односторонним допуском
,
где
^ е - " / ' н о р м и р о в а н н а я функция Лапо
ласа.
Результаты расчета значении вероятностей для рассматриваемого примера приведены в табл. 12.
Априорная вероятность работоспособности каждого блока ОД
Як..
I.
Таблица
Резу;.ьтаты расчета •ероятности ошибок диагностирования
г.
Номер
ДП
X
ш
Р
р
104
,
•к»!
10»?
,
1
11
12
13
14
21
22
23
24
1.92
2.02
2.50
2,40
1.3
2.4
2.4
2.6
0.15
0,12
0,02
0.15
0.1
0.2
0.1
0,9722
0,9784
0.9876
0.9836
0.9642
0.9907
0.9836
0.9907
0.9240
0.9302
' 0,526
0.324
0.391
0,399
0.348
0,230
0,211
ОЛб
0,01481
0.401
0.308
0.209
0,308
0.162
0,154
0.930
0,00874
1
1'
0,0054
1
•
0.0152
Вероятности Р^,2.м и Рг.!.^ находят по формулам (60), которые для данного случая принимают следующий вид:
<
А
== = П (Р^^. -
Жо - П
-
Вероятность правильного диагностирования ОД определяют
по формуле
2
2
2
11-1
(1-1
11-1
Матрицу вероятностей ошибок диагностирования вида Рц
рассчитывают по формуле (59). Для иллюстрации развернем эту
формулу д л я Р ц и Ра4:
(1
(1-^2).
п р и поставленных условиях получаем матрицу
0,т25
0,00770 0,01323 0,01646
0,01350 0,04812 0,00022 0,00207
Р ц II =
0,00911 0,00008 0,05953 0,00198
0,00017 0,00050 0,00096 0,00363
Матрица апостериорных вероятностей ошибок диагностирования вида Р// определяется по формуле (61), которая в нашем
случае имеет вид
'
0,97301 0,13652 0,17888 0,68126
0,01579 0,^5319 0,00297
0,08575
0,01079 0,00142 0,80489
0,08202
0,00020 0,00887 0,01325 0,15037
I Априорные вероятности состояний ОД, определенные по формуле
занесены в табл. 13. 251
Твбл
Пример данных д л я расчета э к о и о и и ч е с к н х
п о к и а т е л е й диагностирошаиия
ТСХВИЧГ-
Код
тсхиичкичго
с«<>г<»
С11СТ1>1«Н«<
Ой
од
*
1
2
1 I
Iо
3
01
4
00
СТ><<СТПГННО
дя^гт^тн1| 01ЫН11«.
ч
•С1К1МГ1ГЯТГЛкНЫХ
ипепоннЙ,
0.1
0.5
0.7
0.2
0.2
0.4
Срсдния
стинч1ч:ть
лиагн(1стнроивмий, С|
услоииые
сднннцм
0.8
I
1
1.5
1,8
2.2
, ипго
П».
0.8505
0.0615
0.0707
0.0053
Срсдпин оперативная продолжитслыюсть диагпостироваши
определяется по формуле (63); в нашем случае т.1=0,б5 ч. '
Среднюю онератнопую трудоемкость днагностироваиии нахо.'
дят по формуле (61); в нашем случае 5 л = 1,19 ч.
Среднюю стоимость диагностирования и условны.ч единица»
находят по формуле (62); в нашем случае С;1=1,1.
3. А Л Г О Р И Т М
ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
Разработка алгоритма диагностировання является о]ним из важнейших этапов создания автоматических контролирующих установок. При решении -^тои задачи пуйчно зиатьвсе
свойства и параметры объекта диагностирования (контроля),необходимие для выбора диагностических параметров, а также
характеристики средств диагиостиропасгия. которые можно использовать.
'
,
.
Наиболее простои задачей диагностирования является задача,
^ ^ х ^ и ' о п р е д е л я е т с я только, находится ли объект диаг№
I " ' " Работоспособном состоянии или пет. При этом след и т помнить, что под работоспособным состоянием ноиимастся
том»™^^^
при которг,м сзиачения всех параметров, харакГе с т ^ Г т ^
»ь.поли„ть залвппы^ функции, соотвс1ств>ют требованиям "ормативио-техническои и (или) коист'
рукторскои докумеитаиии» (ГОСТ 27 0 0 ^
1и "ре" Г Г ^ ^ ^ п п Л ^ г ' ^
задачи пеобхо имо проверит...не;
ли среди трсоовании иормптииио-техническои пли конструктоР'
2Г,2
При наличии нескольких требований в документация необхаднмо также проверить нельзя ли некоторые из них заменять олним комплексным требованием, которое может быть охарактеря^оъШ одним измеренным параметром. Это позволит сократить
число измерении и число средств измерений.
Для установленного перечня требований следует установить
контролируемые параметры и выбрать средства их измерения
допускающие возможность автоматизации лроиесса диагностирования,
: Значительно сложнее задача, в которой требуется виявить
не только 11еработоспоСобные объекты, но и дефекты на требуе^юИ! глубине поиска. В этом случае в число диагностических
признаков (параметров) приходится вводить дополнительные
[признаки, позволяющие осуществить поиск дефекта на заданной
глубине.-При выборе дополнительных диагностических признаков
должны одновременно удовлетворяться три требования: число
таких признаков должно быть наименьшим и трудоемкость диагностирования — минимальной, а сам процесс диагностирования
доступен автоматизации. Эти требования часто вступают в противоречие д р у г ' с другом,, и иногда диагностирование по одному
какому-либо признаку бывает целесообразно заменить на диагностирование по двум или даже трем признакам, позволяющим
решить ту же задачу, только потому, что диагностирование по
этим двум или трем признакам позволяет осуществить автоматизацию процесса диагностирования.
Выше указывалось, что при выборе параметров диагностирования иногда целесообразно вводить новые параметры, не входящие в технические условия. В качестве примера рассмотрим
диагностирование подшипников качения.
"ГОСТ'520—71 предусматривает у подшипников контроль
внутренних параметров: радиальных зазоров, биений, геометрических размеров колец и тел качения. Однако их контроль не
обеспечивает диагностирование подшипников в рабочем состоянии,-так как эксплуатационные характеристики подшипников определяются -взаимодействием • их детален при относительном
перемещении Поэтому обычно дополнительноконтролируют следующие выходные параметры: легкость вращения, кинематические, виброакустические и тепловые характеристики.
В последнее время получили распространение электрические
методыгдиагностирования, при Реализации которых определяются параметры, не предусмотренные ГОСТ или техническими условиями Э т и ' п а р а м е т р ы характеризуют состояние подшипника
непосредственно в зонах трения/
Получаемые при электрических методах сигналы удобны для
обработки,.!что позволяет создавать простые, практически б е з ы н е р ц и о н н ы е и безопасные средства диагностироваиия/достаточио легко поддающиеся автоматизации.
= . .
253
д
а
л
ь
н
е
й
ш
е
й
^т.,. 47 м 38 был пояснен метод среднего тока ъ
®^?и'^гоинте?рально?о времени ( Н И В ) , р а з р у ш е С >
К
Н И В обладает высокой п о м е х о з а щ и ^
Гчувстви^
" состоянию подшипника. ПоэтГ.
стью и чувствите.1
подшипников качения в ал,,.:';
ряде случаев для
„х состояния по НИВ
" " Х " о ? е е Г ж Х а д а ч е П ^ и а г и о с т и р о в а и и я являете,
„„я^
ярогиозировапня работоспособности
ГкГа КГзад^иыТпромГжуток времени. В этом случае диагностических параметров должна предшествовать исследо^д
тельская работа поиска такнх диагностических признаков, хо/п
рые с наибольшей достоверностью позволяют осуществить пм.
гнозирование. Решение этой задачи часто требует отбора многц
диагностических признаков, которые связаны между собой до
статочно тесной корреляционной связью, однако каждый из нц
несет, все же, какую-то дополнительную информацию. Некото,
рые диагноанческие признаки не имеют прямого отношение
признакам, характеризующим функционирование объекта диагностики в нормальных условиях, а относятся к условиям его
транспортировки, храпения, функционированию в экстремальна
или специально оговоренных условиях.
Контроль признаков, характеризующих
непосредствевво
функционирование объекта в нормальных условиях, связан обшно с измерением входных и выходных величин объекта диагностирования. Контроль такнх признаков был рассмотрен ранее,!
поэтому в этой главе на нем останавливаться не будем. Рассмотрим контроль признаков, характеризующих функционированм
объектов в специальных условиях. К таким условиям, в первус
очередь, относятся условия транспортировки, работы в экстремальных условиях н при внешних возмущающих воздействия.
Экстремальные условия характеризуются широкими диапазонами рабочих режимов, температур, давлений, ускорений и вибрации, уровней радиации, климатических и биологических воздействий и т. д.
Все воздействующие факторы можно разделить на несколько
^'"аии^'еские, климатические, биологическве.
КС/иГЛ"'*
и агрессивных сред.
оиные и улвп^^^^^^^
статические, вибраан^
ак>хтичес^киГшгм
ускореиия
(перегрузки)
счет оастяжени^
вызывают разрушения
счет растяжении, сжатий, изгибов, кручения с о е з а ваавливанн»
и усталости материалов изделий
среза, в м и л
К климатическим воздействиям
^оипр^туры, влажности, атмосферного давГе^^^^^^^
Ц
примесей в воздухе. Эти воздействия
солнечной радиа^и
счет изменения свойств матеоиалпГ
материалов, вызывают
особенно рпаозвреур шх не онситян ыз^
254
ллосв детален, подвергающихся указанным возлейагияи,
усд:>
рения изнашивания трущихся поверхиостен и т. д.
К биологическим воздействиям относится влияние на ра&ог/
объекта диагностики живых организмов, иаприиер
грибковых
образовании, В этом случае разрушение также вшизгется г/.мическими реакциями, протекающими в материалах под воздейсгБием веществ, выделяемых живыми организмами.
К электромагнитным относятся воздействия на объект, обусловлепиыс действиями электрических, магнитных и злехтрэмагнитных нолей. Воздействие электрического поля вызызает па:лризацию диэлектриков, резкое возрастание локальных электрачсских полей в объекте, которые могут вызывать возниквозевие
искр и электрических дуг, разрушающих поверхности легалей;
магнитные поля вызывают намагничивание деталей, между которыми может резко возрасти сила механического сцепления, сереориентацню ферромагнитных частиц и т. д. Электромагнятные
поля могут наводить значительные ЭДС, что особенно оласнэ
для электронных блоков приборов.
Ионизирующие излучения могут значительно изиеяять механические и другие свойства материалов, влиять на прозодимссть
газовых промежутков между электродами, вызывать появление
значительных электрических зарядов и ряда др}тпх вредных явлений.
;
К воздействию агрессивных сред относятся воздействия на
материалы паров кислот и щелочей, находящихся в воздухе, а
также воздействия различных газовых и жидких сред, для работы в которых предназначен объект диагностирования. В этом
случае разрушения вызываются химическими реакциями, обусловленными воздействиями агрессивных сред,
л При разработке алгоритма диагностирования необходимо
тщательно проанализировать, какие факторы могут оказать существенное влияние па объект диагностирования и какие из них
могут практически встретиться в процессе эксплуатации объекта.
Однако следует учитывать, что при ускоренных испытаниях в
ряде случаев в программу испытаний вводят такие воздействуюЩие факторы, которые отсутствуют при нормальной эксплуатации объекта Это объясняется желанием за короткий срок выявить устойчивость объекта к факторам, воздействующим на него
в течение длительного срока. В этом случае при составлении алгоритма и с п ы т а н и й необходимо проанализировать факторы, вызывающие и з н а ш и в а н и е объекта в нормальных условиях работы,
и на о с н о в а н и и теории моделирования решить вопрос о целесообразности в в е д е н и я тех или иных факторов при ускоренных испытаниях.
• • •
.
•
. . . .
' • , • . . •
. •.
•
255
4. СИСТЕМЫ Д Л Я М О Д Е Л И Р О В А Н И Я
ВИБРАЦиц
г •
При работе н транспортировке приборы и уствов
могут подвергаться вибрации различного характера. В з а в З
сти от характера вибрации она может вызывать р а з л и ч и в
меиения в аппаратуре. Обычно при испытаниях аппаратуру
воздействие вибрации ее устанавливают на вибростепд, т е /
поверхность стола {рис, 147), закрепляют и затем сообщают;>!!
поверхности вибрацию» имитируя тот ж е вид вибрации, котор^!
может подвергаться испытываемая аппаратура в процессе ее з^
плуатации или транспортировки.
Эта вибрация может быть охарактеризована рядом парами,
рои и функций. Поверхность, на которой установлен прибор!}
в процессе вибрации переходит из положения 2 в положение!
Совершенно очевидно, что при этом различные точки прибор!
перемешаются с различной скоростью, т а к как за один итотж*
промежуток времени проходят различные пути, и, кроме того,
направления их перемещений т а к ж е различны. Таким образом,!
каждый момент времени перемещение различных точек испытываемого прибора может быть описано векторами их скоростей
Следовательно, вибрация каждой точки прибора может быть охарактеризована модулем этого вектора и его направлением
В свою очередь, как направление вектора, так и его модуль улгут изменяться во времени по различным законам.
Совершенно очевидно, что смоделировать все виды вибрацпи
невозможно. Поэтому системы для моделирования вибрация
обычно имитируют только определенные ее виды. Обычно считают, что наиболее распространена вибрация, при которой направления векторов ее скоростей во всех точках совпадают.
В этом случае вибрацию можно охарактеризовать ч а с т о т о й и размахом. В табл. 14 приведены наиболее вероятные значения этй
параметров для вибрации, возникающей при транспортирования
аппаратуры различными видами транспорта.
При разработке алгоритма испытаний на вибрацию необходимо решить следующие вопросы: 1) испытывать весь аппарат
или прибор или только его отдельные части: 2) в каких точках
аппарата необходимо измерять перегрузки, вызванные вибрацией: 3) как крепив
аппарат к источнику вибрации; 4) какой
метод испытаний следует
применить5) какое оборудование выбрать , или по
каким требованиям оно должно быть разработано.
Ряс. 147.'схема перемеСледует Отметить, что и с п ы т а н и я
щения поверхности стола
быть не только стендовые, но й кав условиях эксплуатации.
аппаратурой
Обычно при испытаниях на вибростеВ'
256
Таблица
Характеристики вибрации при транспортировке
Паршетры вябрацнн
Внд трапслорта
Кузоа автомашины.
Тракторы колесные",
»
гусеничные
Корабли б о л ь ш о г о тон1гажа
>
малого тоннажа
Железная дорога
I • I
Винтовые самолеты
частота,
Гц
0-80
8-15 .
20—2000,^0—25
10-3001
'2-3
10-500
амплитуда,
мм
.. 1,0-2,5
±0.25
±1
' ± 1
До 40
±0,15-^±4
дах определяют частоты вибрации, которым соответствуют резонапсы в элементах и блоках аппаратуры в заданном диапазоне
частот, испытывают аппаратуру на вибропрочность на фиксированных частотах и, наконец, если это необходимо, на внброустойчивость.
, Различают следующие методы испытаний на воздействие
вибрации: на, фиксированных частотах вибрации;
качающейся
частотой вибрации;, на полигармоническую вибрацию; на широкополосную случайную вибрацию; на узкополосную
случайную
вибрацию. Кроме того, методы испытаний могут различаться по
направлению воздействий вибрации на аппаратуру—в одном,
двух или трех в з а и м н о ' перпендикулярных направлениях. Последние называют многокомпонентными.
Д л я простых испытаний обычно используют вибростенды, а
в более сложных случаях виброиспытательные комплексы.
Виброиспытательный комплекс (ВИК) позволяет воспроизводить гармоническую, полйгармоническую узко полосную и широкополосную случайную вибрацию, а также вибрацию, модулированную импульсами различной формы. В состав таких комплексов обычно входят микропроцессоры и ЭВМ. ^ . '
С х е м а ' в и б р о и с п ы т а т е л ь н о г о комплекса (рис. 148) может видоизменяться в зависимости от задачи виброиспытаний и формы
ВшоЯ
1-вхоВГ
•I '
Риг 148 Структурная схема виброипытательного комплекса
^ Рис.. 149. Структурная схема генератора испытательного сигнала •
257
М
имитируемых колебании. В схему входят совокупность гене^,
ров испытательных сигналов
средс^^^^^
Суждения механических колебании ( ^ О ^ Л ) , виброизмсри,^
ные средства ( В Я С ) . средства анализа и обработки инфори^
(САИ) средства индикации {СИ), система управления ( с ^
стедства калибровки (С/С). В качестве генераторов исптатГ
иых сигналов обычно используют электронные геиераторц „ ^
более ч а а о —генераторы синусоидальных колебаний, В кассет!
средств возбуждения механических колебаний применяют зла
тромеханическнс, электродннамические, электрогндравличесхр.
вибровозбудители и соответствующие нм усилители мощносц
Генераторы сннусоидальнон вибрацнн обычно построены а,
основе преобразования и выделения разностной частоты из ча.
стот двух генераторов: генератора фиксированной частоты нгегенератора с управляемой частотой колебаний. Управление частотой последнего генератора может производиться как механц.
чески с помощью какого-либо привода, т а к и электрически с по
мощью подачи напряжения требуемой формы от всйомсгательного генератора, задающего закон изменения частоты внбрадв!
во времени.
В генераторе испытательного сигнала (рис. 149) па смеситш
3 подаются колебания от двух генераторов: генератора 1 фиксированной частоты через ус1ьлитель 2 с автоматической регулировкой ус1ыення и генератора 6 переменной частоты. Со смесителя колебания через блок 4, содержащий фильтр нижних частот
и усилитель, подаются на выход, к которому подключено средство возбуждения механических колебаний. Частота колебаний
генератора 6 рег)'лнруется с помощью блока 7, который может
быть либо чисто электронным, либо содержать электронный генератор колебаний заданной формы (например, прямоугольной)
и двигатель, приводимый в движение от этого генератора н р^
гулирующнй частоту генератора 6.
Амплитуда напряжения на выходе схемы может автоматически поддерживаться постоянной: в этом случае напряженнее
выхода через переключатель П подается на усилитель 8 и черо
него на выпрямитель 5, напряжение на выходе которого воздействует на усилитель 2, изменяя его коэффициент усиления.
Возможна также обратная связь по ускорению, возникающему при вибрации. В этом случае напряжение с преобразовате-1Я
ускорения в напряжение подается т €Вход
н с него через п^
реключатель П и блоки 8 и 5 иа цепь регулирования усиления
усилителя 2. На <Вход 2> подается с и г н а 7 о т преобразователе
скорости, который, пройдя через у с и л и т е ! / / блок
содержащий интегрирующие и д н ф ф е р е = ^ ^
гулирующии уровень перемещения н с к ^
на ус«'
л^тел^ь
выпрямитель 5 и цепь рег;л^фо'оания ус"^^^^^^^ уси^"'.
258
Такой генератор испытательных сигналов может изменять
частоту вибрации в соответствии с законом изменения нгпряжеблока 7 1\ амплитуду напряжения на выходе в функции от
частоты вибрации по закону, соответствующему постоянным времени интегрирующей и дифференцирующей цепей в блоке 10.
Таким образом рассмотренный генератор испытательных сиг}1алов позволяет использовать при испытаниях как метод фиксированной частоты вибрации, так и метод с качающейся частотой
вибрации.
Для осуществления метода испытаний па полигармоническую
вибрацию можно использовать несколько генераторов испытательных сигналов, включенных параллельно и работающих на
различных частотах, которые изменяются по независимым друг
от друга законам. Эти генераторы подключены к блоку возбуждения механических колебаний.
При использовании двух или трех блоков возбуждения механических колебаний можно получить соответственно двух- или
трехкомпонентную вибрацию. Если эти блоки возбуждения колебаний работают от независимых друг от друга генераторов испытательных сигналов с частотами, изменяющимися по различным законам, то испытываемый объект подвергается вибрации,
вектор которой не только меняет свою частоту и амплитуду, но
и направление.
Вибрацию, еще более близкую к естественной, позволяют получить генераторы широкополосных случайных сигналов. Такие
генераторы могут быть построены на основе линейных и нелинейных методов формирования сигнала.
Нелинейные методы применяют в электронике для получения
так называемого белого шума, спектральная плотность которого
не зависит от частоты в пределах рассматриваемого диапазона
частот. Имея такой задающий генератор белого шума, легко получить линейным методом формирования спектра заданный закон распределения спектральной плотности:
где Опыт ((о)—энергетический спектр на выходе линейного формирователя; С„х(й))—энергетический спектр на его входе;
/С (со) —амплитудно-частотная характеристика формирователя.
При использовании в качестве задающего генератора источника
белого шума это выражение примет вид
В качестве узкополосных формирователей случайных сигналов используют кварцевые, магнитострикционные. пьезоэлектрические 1С-,
КС- и другие избирательные фильтры.
Если требуется сложная энергетическая характеристика случайных сигналов, имеющая несколько максимумов на различных
259
частотах, то применяется
лельиое включение к гене"^''^'
напряжения бе^юго. щуи^^^'^Р
лш^^щш
•••м
—
/ "1и I
СКОЛЬКИХ узкополосиыГлнл'
2 с индивидуальными ; р е т
ои
емими для каждого фильтпа Хулителями 3 (рис. 150),с11гна?'
которых подаются на общий
литель мощности
Возможны н другие схемы г
иераторов случайных снгна^о!'
Ряс. 150. Схема, обеспечивающая
например с фильтрами, вклю'че'
получение мучайных сигналов с
иыми в цепи обратных связей
заданной частотной характеристиВ совокупность средств В01.
кой
буждеиия механических колебаикй входят опорная плита, которую при малых размерах (примерно до I м) называют с т а ю м , а при больших размерахплатформой, механизмы возбуждения переменных сил и движений, системы управления режимами испытаний, устройства компенсации статических нагрузок, измерительные устройства, обрабатывающие и регистрирующие устройства. Совокупносп
всех этих средств называют внбростендом.
Вибростенды бывают с неизменным положением платформа
(горизонтальным, вертикальным или под заданным угломкгоризонтали) и с регулируемым положением плиты (поворотные).
Вибрация по отношению к плоскости плиты может быть нормальион, параллельной и под заданным углом или переменной пз
направлению. Она может быть одно-, двух- и трехкомпонентяой.
В зависимости от диапазона частот вибрации и необходимой
мощности вибростенда используют различные механизмы получения вибрации. При низких частотах и больших м о щ н о с т я х првменяют механогидравлические и гидромеханические преобразователи. В качестве механогидравлических преобразователей используют роторные гидропульсаторы и насосные установки с
электродроссельными преобразователями.
устройств с малой мощностью и высокими
применяют магнитострикционные преобранагрузках н более высоких часто^
"Рьобразоватсли
• .
и
Особое внимание следуй обращать на методы закреплен»»
и-
•отн
Цщз-
"/^жет'з^исетГо'т'^п
^ ^ у ' ь т
1^НЯТЬ
крепления, так как к р е п л е н и е моЖ^
прибор-крепленР1е
но
' собственную резонансную систему
260
^ с п ы т а н Г в ряде случае;
чистоты ИХ э л е м е н т о в и блоков. ОДН'"'
Параметры испытаний аппаратуры на внбропрочность методом
'
Т а б л и ц а 15
^ — . . - й г а иа<!ТОТЫ в з а в н с и м п ! * » п т VI>ппвI^в
.1
Дишпшзон
ивегот,
гп
Длитслышсть выдержки, ч.
лрн амплитудах •
1
0,15 ММ
0.35 мм,
Н.1М
0.75 мм
или
или
19,5 м/с»
5-35
10—55
4Э м/с'
98 м'с»
150
30
Г
—
6
10^500
—
1
Аппаратура
1
*
1
Бортовая на судах или
работающая
с1
рядом
большими вращающими- 1
ся механизмами
|
Крупных подстанций, же- 1
лезиодорожиого и авто- 1
мобильного транспорта I
и общего примепе/шя в 1
промыгнленностн
1
1.5
10—150
••
1
То же. при ощ)тнмоГ1 1
вибрации за пределами 1
55 Гц
Общего применения в 1
аоизичи
1
•10-2000
0
•
|
Сигрхзнуклпой авиации
I
1
. * Амплитуда перемещений лнжс |1(7)е.\од1гой частоти или амплитуда
ускорения выше нсреходиой частоты.
Проводить испытания па -«тих •]астотах пе рекомсилусп-я, ла исключением особых с.пмасм1. так как при обнаружсиии
лефекта
после исиытапии иа Гсзоналсиой частоте трудно у1та111)иить, отчего иромлоикк) разр шсипе: из-за явления резонанса или дефекта изготонлеиия. Яп: еиия резонанса рекомендуется исследовать
•'.10 частот иор^гдка 20 кГц. а в некоторых случаях и на более вы1-'оких частотах.
•
П о л ь ш о е в л и я н и е на р е з у л ь т а т и м е е т д л и т е л ь н о с т ь и с п ы т а л н и И с п ы т а н и я на в и б р о у с т о й ч и в о с т ь п р и ф и к с и р о в а н н ы х ч а сготах д о л ж н ы продолжаться не менее 5 мин, а испытания н а
п и б р о п р о ч н о с т ь - 1 - 5 ' ' " Р " д л и т е л ь н о м в о з д е й с т в и и и 20...
50 мин при кратковременном.
Пои использовании метода качающейся частоты длительн о с т ь
и с п ы т а н и й также должна быть не менее 1 0 , . . 3 0 мин. Согласно п с к о м е н д а ц и я м МЭК скорость качания частоты должна
С1лть около 1 октавы в минуту. Рекомендации МЭК приведены
'В т а б л . 15. •
261
1
б.сиаЕМЫ для
МОДЕЛИРОВАНИЯ
УДАРНЫХ
НАГРУЗОК
Основная задача ударных нспытапни —проверка
собности объекта диагностики выполнять СБОИ функции п ?
или во время воздействия ударных нагрузок, на которые
считан. Поэтому при испытаниях ударные нагрузки ДОЛЖНЫЙ^
тировать ударные воздействия, возникающие при эксплуатац7,
объекта.
Д л я точной имитации ударной нагрузки необходимо сконст
руировать испытательное устройство так, чтобы оно обеспечива.
ло ударные воздействия со спектром частот таким же, какй|
ударной нагрузке при нормальной эксплуатации объекта. Реш^.
ние такой задачи вполне возможно, однако имитирующие уст.
ройства получаются достаточно сложными. Поэтому обычно прн.
меняют простые уаройства, которые, конечно, имитируют удар,
ные нагрузки очень приблизительно.
Наибольшее распространение в настоящее время получу
механические ударные стенды, основанные на падении объеш
на стол или платформу стенда. В большинстве таких устройств
стол вместе с объектом испытания поднимается па заданную высоту и затем свободно падает на жесткую базу. Прн этом мо^т
использоваться различные ускоряющие устройства, обеспечивающие большую скорость и энергию при соударении объекта со столом. Для этой цели могут быть приспособлены н
вибростенды.
Привод таких установок, как правило, механический, причем
для подъема стола может использоваться кулачок или эксцентрик, установленные на валу, частота вращения которого задает
период повторения ударных нагрузок. При больших массах об>
ектов, превосходящих 00 кг, применяют гидравлические приводы. При меньшей массе объектов возможно использование паезматических ударных стендов.
Если масса объекта не превосходит 12—20 кг, можно прияв"
пять электродинамические ударные стенды, основанные на использовании электромагнитов.
В ударных стендах модели УУЭ с полем э л е к т р о м а г н и т а взаимодействует катушка, обтекаемая током, каркас которой жестко связан с ударной платформой. При п р о т е к а н и и импульс»
"«"Ульс силы, выталкивающий катушку ^
зазора электромагнита. При этом объект и с п ы т а н и й подбрас^
'
и испытывает ударную нагруз^
Изменяя форму и амплитуду импульса тока п катушке, ыо»^
изменять характеристики ^ п у л ь с Г у д а р ^ о Г п а г р ^ ^ ^ ^ ^
^^
262
Основные технические характеристики электродинамических
ударных стендов У У Э
Т а б л и ц а 16
Тип стеяда
Параметр
,
УУЭ-1/150
Масса объекта, кг
Число ударов в минуту при испытаниях:
на прочность
при транспортной
тряске
Максимальное
удар»
нее ускорение, м/с'
Максимальная
длительность
ударного
импульса, мс
Максимальное
ударное
ускорение
при
транспортной тряске,
м/с' • .
ууэ-гт
УУЭ-20/100
УУЭ-20/200
20
10-120
20-80
10-60
20
20-80
200
100-1500
100-2000 2000 I 1000
2-14
2-12
5000 I 2000
150
I
В рассмотренных ударных стендах изменения скорости о
и перемещения 5 объекта в процессе разгона определяются
уравнениями
_г
•
6'
1а (ОМ
где
закон изменения ударного ускорения от времени Л
Достаточно точное обеспечение требуемых импульсов ударной нагрузки может быть достигнуто путем синтеза элементарных сигналов и введения автоматического регулирования по
способу передаточной функции. В вибростенде, работающем по
указанному принципу (рис. 151), от ЦАП 1 сигнал возбуждения
подается на усилитель мощности 2 и от него на вибровозбудитель 3, на рабочей платформе которого укреплен объект испытания с измерительным преобразователем 4, определяющим
реакцию изделия на ударное воздействие. От измерительного
преобразователя сигнал через усилитель 5 поступает на АЦП 6
от которого вводится в буферную память 9. Из нее данные попадают в микропроцессор 8, определяющий новую передаточ263
1
иую • функцию
этих
<путем\сп„«
данных.С'дапиымн
ютими
от буферном
Данные
также
из
памягЛ
б у ф е р н о й .начи / :
поступают
в блок
В1аЧ|!с.
.1СИИЯ у д а р н о г о спектра /2 б
15 с р а в п н о а е т
УДариый
.чаданныП
б л о к о м 16, с получ!
н ы м из измсрнтс:1|,н()м 11е11и 1,е!!'
б л о к 12. С б л о к а 15 сигнал „о
с т у п а е т па б л о к N формтюващи
т р е б у е м о г о с и г н а л а отклика,куи
т а к ж е п о с т у п а е т сигнал,? треГл-.
е м ы х п а р а м е т р о в сигнала,отклн.
ка с б л о к а I I .
С м и к р о п р о ц е с с о р а 8 новая вн.
чнслеиная
п е р е д а т о ч н а я фуцк.
ц н я п о с т у п а е т на блок запоминаРис
Фуккишшальчзя схсма
нии п е р е д а т о ч н о й функции /Оиог
ииГ.|ч»стс«1Да
него на б л о к 13, ' куда ^ олиовре.
меимо ш>ступаст с ф о р м и р о в а н н ы й т р е б у е м ы й с и г н а л реакции от
б л о к а N . Б л о к 13 прон.чводит д е л е н и е ф у н к ц и и , пол у чепион после преобразования Ф у р ь е , на п е р е д а т о ч н у ю ф у н к ц и ю . ПолученИ1К? отнишеиие т к г т у п а е ! п б у ф е р н у ю п а м я т ь 7, о т к у д а оно, как
у к а л а н а л и с ь . поступает в м и к р о п р о ц е с с о р в и однооремеико в
ци1|>роаиалоп»вый преобра^ователь /. Т а к и м о б р а з о м ,фор>1И1)ус т с я молелируюшее у д а р н о е в о з д е й с т в и е по с п о с о б у передат!»'!и1>и (||уикиии.
,
,
•, !
•
П р и |[>ормнроваиии у д а р н о г о и о з б у ж д е и и я о б ъ е к т а по. сппсп-.
бу с у м м и р о в а н и я а м п л и т у д э л е м е н т а р н ы х с и г н а л о в сигиал; с
б л о к а 15. определяемый р а з н о с т ь ю з а д а н н о г о у д а р н о г о спектра
и с п е к т р а , полученного из и з м е р и т е л ь н о й ц е п и , . поступает; па
блок выдачи а м п л и т у д э л е м е н т а р н ы х . с и г н а л о в ./5.. Н а , блок
поступает сразу информация об а м п л и т у д а х э л е м е и х а р п у х с№
налов с блока 18 и п а р а м е т р ы э л е м е н т а р н ы х с и г н а л о в , , с блока
19. П а основании этих данных б л о к 17 ф о р м и р у е т пооие,®№|
бужлаюи1ис сигналы. С ф о р м и р о в а н н ы е с и г н а л ы через. буфеР"^?.
память
7 поступают в ц и ф р о а н а л о г о в ы й
преобразователь ^
В ссютвстствии с Г О С Т 2 0 5 7 - 8 1 р е к о м е н д у е т с я
использ9иа1^
устройства,
обеспечивающие
получение
полусииусоида/1ь>|р^®
закона вибрации.
. • •
,
В ы б о р ,тон или иной с и с т е м ы м о д е л и р о в а н и Г у д а р п Н ^ ^ ^
г р у з о к определяется необходимой т о ч н о с т ь ю .моделиропаии?.^
т а к ж е э к о н о м и ч е с к и м и в о з м о ж н о с т я м и и т е х и н ч б с к о . ! осиаще"
ИОСТЬЮ. .• . . .
, •.
. • '
(•
• ^ »•
^ ..,г-1
' • ' •' ' •
• 1 гм; л.| ич""- •
.1
' м /•
!.1 '
269
г
6. СИСТЕМЫ д л я МОДЕЛИРОВАНИЯ
УСКОРЕНИИ И НЕВЕСОМОСТИ
'41.
ЛИНЕПНЫХ
1 ' ' • • Основная задача испытаний на линейные ускорения—
проверка способности: объекта диагностирования выполнять
свои функции после или во время их воздействия.
. Линейные ускорения трудно смоделировать при прямолинейиом дгзижснии вследствие очень больших размеров необходимых
для ЭТОГО'установок. Поэтому для моделирования линейных
ускорении обычно используют вращательное движение. Установки, используемые для этой цели, называются центрифугами.
При вращении объекта на расстоянии Я от оси вращения
с угловой скоростью (1) объект испытывает центростремительное
ускорение
• '
. •,.{'.
'I . I. I
Простая зависимость между угловой скоростью и центростремительным ускорением позволяет легко определять требуемый
вид импульса угловой'скорости 0) для обеспечения требуемого
импульса ускорения а^. Обычно импульс ускорения имеет передний'и'задний фронты и участок," соответствующий постоянному
значению ускорения. Имитация последнего участка не представляет обь^чно трудности, а имитация переднего и заднего фронтов
может-вызвать серьезные затруднения. Сложность не только в
том.' что крутые'фронты требуют быстрого разгона и остановки
центрифуги, но й в том, что во время ее разгона и остановки на
изделия кроме линейного центростремительного ускорения действует касательное ускорение, которое может существенно изменитI^ работу объекта исследования и привести к неверным выводам:' '
• " ••••"•••
•• •
При'выборе^центрйфуги'необходимо также обращать внимание на требования к 'стабильности центростремительного ускорения и ' т о ч н о с т и поддержания его заданного значения.
Ч а с т о Ь к а з ы в а е т с я , что из-за к р у т ы х ф р о н т о в и м п у л ь с а у с к о рения на'одной центрифуге'невозможно воспроизвести весь имп у л ь с ; " В ' э т и х ' случаях'средний горизонтальный участок
импульса в о с п р о и з в о д и т с я и а ц е н т р и ф у г е , ' а в о с х о д я щ а я и н и с х о д я щ а я
части'импульса, т/е.'его передний'й задний'фронты — л и б о на
у д а р н ы х
установках, либо каким-либо другим методом. •
Центрифуги классифицируют в зависимости' от значений
создаваемых ускорений,'нагрузки на плечо, назначения, конструкции; типа привода.'' •
•
" ' Р а с с м о т р и м
устройство центрифуги" с поворотным столом и
двумя инерционными телами, которая позволяет получить достаточно крутой передний фронт импульса и большие максимальные з н а ч е н и я центростремительных ускорений (до 250 м/с').
265
Маховнк 1 (рнс. 152).
;са 2 могут вращат^я Рзкруг одной вертикальной п"'^
Маховик имеет .выдвиж;,?
упоры 3, а па траверсе у ?
новлсии плоские пружипы!'
На траверсе с одной сторо„,
установлен поворотный стол ?
на котором крепится нспыты
ваемый объект 6, а на дпуг. '
Рис. 152. Схема иентряфуги с повоконце траверсы —противовес
ротным аолом
Траверса установлена на вал^
маховика свободно н поэтому
когда маховик разгоняется, она остается неподвижной. Пос,1е
разгона маховика до требуемой скорости из пего выдвигаются
упоры, которые сцеп-1яются с пружинами на траверсе и толчком
приводят траверсу во вращение. Поворот платформы на травер.
се производится так, что суммарный вектор ускорения, склады,
вающийся из векторов ускоре1»1й касательного Ок и центростремительного Ош всегда действует на объект в одном и том же направлении под углом ф к траверсе:
По мере разгона траверсы изменяется отношение
и синхронно с этим изменением поворачивается стол с объектом
испытания. Когда скорость траверсы достигнет скорости маховика. выдвижные упоры снова утапливаются в маховнк и траверса может свободно вращаться относительно маховика.
Опюшение ускорения, получаемого объектом при испытании,
к ускорению свободного падения ^ называется коэффициентом
перегрузки или перегрузкой:
где а = У
ускорение, получаемое объектом.
В настоящее время стали использовать центрифуги с программным управлением, которые позволяют изменять перегрузку объекта по заранее составленной программе.
Рассмотренные конструкции центрифуг дают возможность
получать коэффициенты перегрузок только больше единицы, т.е.
не позволяют создавать условия, при которых ускорение, испытываемое объектом, становится меньше ускорения свободного
падения. В то же время в процессе работы объекты могут иногда попадать в такие условия и, следовательно, необходимо проводить испытания и п р и / С < 1
-•ипи, пси
В зависимости от длительности испытаний при которых объект должен находиться при ускорении м е н ш е " Г ч е м у с к о р е н и е
266
свободного падения, возможно
пспользование различных уста-
новок. '
Перегрузка, близкая к нулю, может быть получена при свободном падении камеры с объектом. Однако перегрузка в этом
случае мала только до тех пор, пока движение камеры достаточно близко к движению свободно падающего тела. Обычна
это условие нарушается, как только камера получает достаточно большую скорость и ее движение затормаживается сопротивлением воздуха. Кроме того, в таких установках достаточно
сложно осуществить последующее торможение камеры, при котором объект испытывает значительные перегрузки.
Вторым видом устройств являются центрифуги с горизонтальным расположением оси вращения траверсы. В этом случае
при постоянной частоте вращения на объект действует ускорение, складывающееся из центростремительного ускорения и ускорения свободного падения. В момент прохождения объектом
верхней точки траектории эти ускорения направлены в противоположные стороны, и при их равенстве объект оказывается в условиях невесомости.
Интервал времени, в течение которого значение коэффициента /С.меньше заданного значения Кгр, может быть рассчитан по
формуле
где Т — период вращения траверсы.
В случаях, когда требуются значительно большие промежутки времени испытания объектов в невесомости, приходится прибегать к установке объектов на космических устройствах.
7. СИСТЕМЫ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ
И ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР
НИЗКИХ
Приборам и другим видам аппаратуры приходится
выдерживать различные температуры окружающей среды. Поэтому обычно их подвергают в соответствии с техническими
условиями испытаниям на воздействие низких и высоких температур как в рабочем, так и в нерабочем состоянии. Диапазон
изменения температур при нерабочем состоянии аппаратуры
обычно шире, чем при испытаниях аппаратуры в рабочем состояНИИ, т. е. при испытаниях на работоспособность при низких и
Лля*о^б^еспечения^т^
условий работы обычно используют камеры тепла и холода. В таких камерах проводится термостатирование объекта при заданной температуре. Термостатио о в а н и е может быть прямым и косвенным. При прямом термостатироваиии нагревательные или охлаждающие элементы поме-
267
шают в самом рабочем объеме камеры нлн в каналах, по.
рым циркулирует воздух, подаваемын в камеру. Такое
статирование применяют в больших камерах с високой
емкостью или в тех случаях, когда ие требуется высокая Л
ность поддержания заданной температури.
•
В малых камерах и при необходимости поддержания темп
ратуры в узких заданных пределах применяют косвспнос тепТ
статирование. при котором камеру с испытываем им обикТ.
помещают внутри большей камеры и осуществляют нагрев Л
охлаждение воздуха, заполняющего промежуток между стенка
ми внутренней н наружной камер. При этом колебаниям темпе,
ратуры воздуха между стенками камер соответствуют зиачи'
тельно меньшие колебания температуры внутри малой рабочей
камеры. Иногда пространство между стенками камер заполняют жидкостью с большой теплоемкостью нлн внутри стенок камеры делают каналы, по которым циркулирует подогреваемая
или охлаждаемая жидкость. Жидкость благодаря большой теплоемкости позволяет точнее стабилизировать температуру.
Для грубого термостатирования можно применять двух- илн
трехпозицпониые релейные системы, а для точного термостати,
роаання —системы автоматического непрерывного регулирования.
При охлаждении объектов в камеры должен подаваться осушенный воздух, чтобы при его охлаждении не выпала роса илн
влажность воздуха не превысила допустимые пределы.
Нагреваются или охлаждаются из.тслия от поиерхиош
вн>'трь. поэтому при изменении температуры окружающей среды
в пнх возникают внутренние перепады температур. Время иатрева или охлаждения зависит от массиппости нсныгыаасмого
объекта. Теплотехнически тонкими объектами называют такие,
скорость нагрева которых практически не отличается (я скорости нагрева материала с бесконечно большой теплопронолиостью
или с теплоемкостью, равной нулю. У таких объектов инутрснннй перепад температур близок к нулю. Если у объекта в процессе нагрева или охлаждения внутренний перепад температур
большой, то его называют теплотехнически массивным.
Степень теплотехнической массивности обт>скта оиеиивается
числом Био. Если объект представляет собой корпус, внутри хотр^^^^
с малой теплоемкостью. знач11миТЛ п
л'-'' теплоемкость самого корпуса объекта, то
число Био может быть вычислено по формуле
стенок,Объекта; . ^ ^ е п . . -
268
П р и . и с п ы т а н и и теплотехнически тонких объектов цикл оабокамеры тепла и холода. состоит из двух этапов: на первом
происходит нагрев или охлаждение камеры с объектом я
ла,втором этапе —термостатироваиие температуры внутои камеры. Н а первом этапе мощность нагревательных или охлажлакзщих установок задается требуемой скоростью нагрева или
охлаждения объекта, а на втором э т а п е - ^ п о т е р я м и за счет тепл о п р ^ о в о д н о с т и стенок камеры и оборудования, врезанного в них
, , , При ,теплотехнически, массивном объекте между первым и
вторым этапами работы возникает промежуточный этап, на когором температура! среды камеры термостатируется, а объект
продолжает прогреваться. П р и этом мощность нагревательных
или. охлаждающих ,элементов должна компенсировать указанные, выше тепловые потери и обеспечивать подвод к объекту или
э
т
.. ч
а
п
е
. Г! ; » I
1• г !
••
'
,
I
^
•
.
•
..
Таблица
17
Характеристика камер тепла отечественного производства
• ."<'
.М
4 I:' 1: I
• С.,-. ТИИ1 .
.V
*
сг
«о
<,Яе
'
>Я '
I; Ов
^Нв л
в Xа
г О.СХ
. о V 41
II
Ча
КТ.0,05—ЗООхМ
0,05
КТ-0,16-300
•0,05
КТ-0,4—300 ,
0,4
КТ-О.б-ЗОО
0,5
КТ-1—300 '
I •1,0
КТ-0,5—300
" 0.5
'<300 '
25-300
25-300
<300
50—300
25-300
НЧв
±4'
±6
.±6
±6
±5
5»
и
Габаритные,
размеры, м
I
• 6,2
14,8
17,4
,12,0
17,0
11,0
1,79X1,24X0,85
1.63X1.1X1.09
2,02X1,83X1.52
1,96X1,85X1.55
1,94X1.88X1.54
1,4X1.85X1,96
500
850
1050
800
1150
800
I.
II \
Т а б л и ц а 18
I.,- { ..
; I
I
' '
Характеристики термокамер (камеры тепла и х о л о д а ) отечественного
производства
>Ч :
>
4, - ' . ,
1
• 1. , • 1 •. 1 1.1
в
'
я
• «I '
• 1
ч
5»
0
ь
. 1
1 •. •
ёх'
к
и
о
1
•
.
2»
1
••
«
, г •;1 Тип . , •
й ^га
и
' •• г Г
Н
е
и
'. ' 1.! (. ; 1 1. • "
!• •
к
О.Р
<в
ООП
Ая
я
а
Р
• '
« е . - " н чо.
Сх
Ок
и а,
1
. .. ' :
1
КТХ0,015-65/155
ТКШ-0.15—100
АКСШ-0,3-80,,. ,
ТКШ-0,05-70
1
• . - . • • : .1
•
'
0,015 - 6 5 - 1 - + 1 5 5
0,15 - 1 0 0 - 7 - + 1 0 0
1 .
0,21 - 8 0 .
0.05 - 7 0 + + 1 0 0
' л г
1 ' -
••"•
±2 Фреон-22 6.0 1 , 7 X 0 , 9 X 1 , 8 1200
±2 То ж е 11,6 1 , 7 X 1 , 7 X 2 , 1 1400
±2 Фреон-22 2.0 3 , 7 X 1 . 0 X 0 , 9 1500
±2 Фреон-13 1.3 0 , 7 X 0 . 9 X 1 , 4 200
или
Фреон-22
г
:
269
отвод от объекта теплоты, необходимон для его прогре.,
охлаждения. Поскольку по мере прогрева плп охлаждения
4Ш1
' •-""идйетгя
екта потребляемая
нм мощность постепенно ^
уменьшается
должна плавно уменьшаться н мощность нагревательных Й °
охлаждающих элементов.
"^н
Для нагрева обычно используют нагревательные электп»
ские элементы, в которых элсктрнческая энергия преобразуем?'
в тепловую. В отдельных случаях нагрев может обеспечивать?
за счет понижения температуры окружающем среды или жидко"
сти из термальных источников.
Охлаждение может осуществляться за счет нагрева окружа
ющей среды, расширения сжатого газа, использования води
холодных источников, испарения жидкостей нлн таяния льда
В газовых холодильных машинах понижение температуры
обеспечивается п>'тем предварительного сжатия газа в компрессоре, ввода сжатого газа в охлаждающий элемент и последующего расширения. В паровых холодильных машинах осуществляется конденсация паров хладагента за счет понижения давления, затем хладагент вводится в холодильный элемент, где давление повышается н вызывает кипение хладагента с поглощением им тепловой энергии. Наконец охлаждение возможно за
счет электрической энергии при протекании тока через переход
между пластинами из полупроводниковых материалов (термоэлектрическое охлаждение).
Основными характеристиками камер тепла и холода являются рабочий объем камеры, куда устанавливается испытываемый
объект, диапазон рабочих температур, точность поддержания
заданной температуры и потребляемая камерой мощность (табл.
17, 18).
8. СИСТЕМЫ
ДЛЯ ЛЮДЕЛИРОВАНИЯ
КЛИМАТИЧЕСКИХ
УСЛОВНП
Климатические воздействия оказывают сильное влияние на работу приборов и аппаратуры. В реальных условиях
климатические воздействия могут характеризоваться рядом факторов: температурой, ее колебаниями, влажностью окружающего в о з д у х а , различными видами осадков (туманом, росой, инеем), наличием в воздухе пыли, соли и других примесей, солнечной и другой радиацией Стабл. 19).
Все виды климатических испытаний (табл. 20) могут проводиться в нерабочем состоянии аппаратуры с целью проверки ее
к а ч е с т в при хранении и транспортировке и в рабочем состоянии
с целью проверки ее работоспособности
При испытаниях на колебания (перепады) температур объект помещают в камеру тепла, где он нагревается, затем сразУ
переносят в камеру холода, где он остывает, и снова п е р е н о с я т
270
,е значения основных характеристик различных климатически
„^^"вземли
1ГМЛИ
Климатический пояс земли
КлнматичсскнЯ
фактор
I '
холодный умсрсяныД
тропический
влажный
Температура ®С макс,
мип
Суточные колебания температуры, "С
Относительная в л а ж н о с т ь воздуха, %,
при температуре, ' ' ' '
+30
—75
20
50-80
+20
Осадки з а 1 м е с ,
Зсадки за 1 год,
Выпадение росы
•гГТ'ш'/кЗ.тп
24.105
. 1
• ,• •
'' ,
.
"'. 1
Классификация климатических испытаний
Температура
I
. :I • •
Влажность'' '•
Примесц'
в воздухе•'
•':< ,1' 'VI и
-олиечное
излучение •
1.
,,
.. I.
Атмосферное ,
Давление
+20
150
600
Периодическое
7лотность потока солнечного излуче-
КляматическнА
фактор
+35
-35
15
50—80
Воздействие
Повышенная
температура
Отрицательная
температура
Циклическое изменение температуры
Повышенная '
влажность
•10«
сухой
+40
+50
+3
О
20
40
75-100
2-70
+35
.+40
0-300
0-50
1500
200
ЕжеПериоДНеВ1Г0€ дическое
6,2.10»
6,2.10»
Таблица
20
• Вид испытания
На теплоустойчивость при эксплуатации
На теплоустойчивость при транспортировке и хранении'
На хладоустойчивость при эксплуатации
На хладоустойчивость при транспортировке и хранении
На циклическое воздействие темпера-
ЙГвлагоустойчнвость с конденсацией
влаги (циклический режим).
На влагоустойчивость без конденсации влаги (непрерывный режим).
На воздействие инея и росы
Иней и роса .
На работоспособность при статичеПыль
ском воздействии пыли
На динамическое • воздействие пыли,
на пыленепроницаемость
I I'. Г
На «воздействие соляного (морского)
Соль (морской туман) тумана
Инфракрасное и ульт- На воздействие солнечного излуче'
рафиолетовое нэлуче- ния •
НИЯ
' ' *
^
Пониженное давление
Повышенное давление
1..
На воздействие атмосферного давления
.
^а "устойчивость к быстрому измене1ИЮ давления
На воздействие повышенного давления -
271
в камеру тепла. Такие циклы повторяют заданное число
> Между циклами испытаний объект может находиться зал
время при нормальной температуре.
^Зйно^
Испытания на перепад температур обычно совмещают
питаниями на влагоустончивость. Прн испытаниях на влаг
тойчивость в камеру подают воздух, влажность которого эа?^^'
техническими условиями. Испытания на 1 0 0 % . н у ю влажнп
могут проводиться как с выпадением, так и без выпаде]
влаги
Т а б л ВЦ8 21
Характсрислиш 1ер»101лагокамср отечественного производства
ж•
4*
А
О
с
X
т
0
\Э
Г''
О
е
Тиа
н
ж
г-
Я
•
|«
с
а
и
ая
с
X
X 1
«
Врен(
Д0СТЯЖ1Н1,
"««ИЧ^Чк,
ных
X
"о
5'
т
о .
температу- мажры, Я0СТ1,
мин
ММ
С.Я
Р
'1
о5
КТВО.15-155
КТВО.5-155
КТВ-0.025
КТХВ-0.1—
10,-00
КТ В 0 . 1 - 9 0
КТХВ-0.5—
0.15
0.5
0.025
0.1
-^-155
+ 155
25-100
-10-5-1-90
98
98
98
40-98
±5
±2
±1
±2
3
3
3
±3
0.1
05
25+90
- 1 0 + + 100
40-98
40-98
±2
±2
±3
±3
30
30
60
КТВ.0.5/100
05
25+100
65-98
±2
±3
40
60
10/100
40
<0
60
60
60
45
40
30
30
Т а б л и ц а 22
Характеристики термобарокамер отечественного производства
X•
Т.П
А
%
272
ея
«
а
э
45
нв
0,16
0,16
0,40
0,40
1,00
798-133
133-153
133-153
798-133
133-153
»
КТХБ-0.16-115
КТХБ-0.16-155
КТХБ-0.4—155
КТХБ-0.4-155
КТХБ-1-155
15
11-
а1
а
Ч
'Е
хЬ"
1
а с а Еа»
время достижения
нна
I
X
2 ^
II
13,3
153
1.33
135
153
400
400
400
800
800
40
40
45
60
60
1
^
иа
Ш
ВЕР» и
90
90
105
120
120
15
15
20
35
35
в камере можно создать условия тумана, а также выпадение
на объект росы или инея. Обычно проводят испытания на воздействие соляного (морского) тумана. Испытания на пылезащишенность объекта или его пыленепроницаемость проводят
лодавая в камеру поток воздуха, содержащий пыль определеняого гранулометрического состава.
Для проведения испытаний на сочетание воздействий температуры и влажности выпускают специальные термовлагокамеры
(табл. 21).
На работу аппаратуры воздействует и давление воздуха, поэтому возникает необходимость проведения ее испытаний при
различных давлениях. Для этого аппаратуру помещают в барокамеры. Особый интерес представляют испытания аппаратуры
лри пониженных давлениях, т. е. в условиях, которые возникают
при работе аппаратуры на высоте или в космосе. Поэтому барокамеры обычно характеризуются минимальным давлением, которое может быть в них установлено. Для создания одновременного воздействия температуры и давления выпускают термобарокамеры (табл. 22).
!
9. С И С Т Е М Ы ЛШДЕЛИРОВАНИЯ
ВОЗДЕЙСТВИЙ
РАДИАЦИОННЫХ
. • : • • Среди радиационных воздействий на аппаратуру наибольшее распространение имеет солнечная радиация. Испытательная камера для воспроизведения условий тропической пустыни .должна обеспечивать освещенность около 1,5 кВт/м^ при
спектральном составе • излучения, соответствующем солнечному,
и поддержании температуры стенок камеры 18...20°С для получения нормального излучения тепловой энергии объектом. Для
получения требуемого спектра излучения обычно используют
ксеноновые лампы или свет, смешанный от нескольких источников. Д л я воспроизведения естественных условий объект испытавши иногда устанавливают на вращающийся стол, делающий
один оборот в сутки.
Спектральный состав солнечной радиации зависит от высоты
расположения объекта, среды, расположенной над ним. Поэтому
аппаратура, предназначенная для использования в различных
Условиях, должна подвергаться испытаниям при различных
.спектрах излучения. В качестве источников света могут применяться ртутно-кварцевые лампы, лампы НГ инфракрасного излучения с вольфрамовой нитью накала и лампы П Р К ультрафирлетового излучения. Кроме того, для получения ультрафиоле1Г0В0Г0 излучения могут использоваться газоразрядные лампы
кртутные'лампы низкого или высокого давления). Между источником излучения и объектами могут устанавливаться фильтры, поглощающие ненужную часть спектра.
273
Следует подчеркнуть, что ультрафиолетовые лу^и ^
тельно влияют на зрение, и поэтому при работе с таким,,
рами требуется соблюдать специальные правила техплк,,
опасности.
. I
На работу электронноП аппаратуры может оказывать си
нос влияние электромагнитное излучение. При испытаниях м
влияние электромагнитного излучения в камеру вводят источи?
ки электромагнитного излучения требуемого спектра. СаТ
камеры в этом случае должны представлять собой экраны, обсс
печивающие защиту окружающего пространства от проникнове
ния в него электромагнитного излучения источников, устапов!
ленных в камере.
В ряде случаев в камере устанавливают импульсные источники электромагнитного излучения, которые позволяют получать
в импульсе большие мощности и обеспечивать направленное действие излучателей па наиболее слабые (уязвимые) области об^
екта испытаний.
Наконец в тех случаях, когда надо проверить, насколько защищен испытываемый объект от воздействия на пего радиоактивного излучения, в качестве излучателей в камерах помещают
радиоактивные изотопы. Следует помнить, что если на металлы
облучение практически не влияет, то наибольшие изменения оно
вызывает в полупроводниковых материалах.
>
Воздействие радиации на объект зависит от вида радиации^
дозы облучения, мощности потока облучения, распределения
энергии радиации по спектру, окружающих условий: температуры, влажности и т. д.
Облучение быстрыми нейтронами вызывает нарушение структуры вещества (смещение атомов в кристаллической решетке),
образование примесей других элементов и, в частности, образование радиоактивных изотопов, а т а к ж е в небольшой степени
ионизацию. Эти изменения носят необратимый характер и могут
привести к окончательному отказу объекта. В некоторой части
указапиыо изменения после прекращения облучения могут исчезнуть.
, ,
,1
Облучение быстрыми протонами является поверxностпи^^,
вызывает ионизацию и в небольшой степени изменение структуры веи[сства.
г
г
Воздействие гамма-лучей вызывает сильную ионизацию в материале, явление фотопроводимости, люминесценцию, вторичное
рентгеновское и гамма-излучения, химические реакции, повышещестГ*'""^^'^^^^"' "зменение анизотропии кристаллических веОблучеиие электронами носит поверхностный характер и вызывает ионизацию, вторичную эмиссию, небольшие и з м е н е н и я в
рентгеновское изI
274
Воздействие а-частнц н осколков ядер можно практически
учитывать вследствие малой длины их пробега и поверхностного характера.
На свойства металлов оказывает влияние только нейтронное
блучеиие большой мощности — более 10 нейтронов/см^. В месге к о н т а к т а металлов с органическими материалами могут возникнуть металло-органические соединения.
В органических веществах радиация приводит к перестройке
молекул, вызывающей химические реакции и необратимые изм е н е н и я структуры вещества и его свойств. Выделяющиеся при
этом газы могут, соединяясь с влагой, образовывать кислоты,
разрушающие материалы. Изменение электрических свойств орг а н и ч е с к и х веществ носит обратимый характер, причем время
восстановления зависит от природы материала и условий облучения. На неорганические материалы радиация действует
слабее.
Радиация оказывает воздействие на резисторы, конденсаторы, полупроводниковые устройства, изменяя у последних коэффициент усиления, значение обратных токов, уровень собственных шумов и другие параметры.
Поскольку степень воздействия радиации зависит от ее спектра и интенсивности, то для проведения испытаний объектов в
радиационных камерах необходимо предусмотреть обеспечение
требуемых вида, направления и интенсивности радиации, а также защиты обслуживающего персонала не только во время испытаний, но и после испытаний, от вторичного излучения, источником которого может быть объект испытаний.
10. ИСПЫТАНИЯ Д Л Я
АППАРАТУРЫ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
НАДЕЖНОСТИ
Испытания для определения показателей надежности
работы аппаратуры могут проводиться при нормальных условиях работы этой аппаратуры и при ужесточении или форсированных режимах. Испытания при нормальных условиях проводят
в течение срока службы аппаратуры, и поэтому они занимают
очень много времени. Если срок службы аппаратуры велик, то
проведение таких испытаний становится практически невозможным. Поэтому приходится прибегать к ускоренным испытаниям.
Программы ускоренных испытаний разрабатывают на основе
теории моделирования. Эти программы могут предусматривать
работу объектов испытаний под увеличенными нагрузками, при
повышенных температурах, влажности, вибрации и т. д. Все
эти условия должны обеспечивать стенды, камеры и другое оборудование, предназначенное для проведения таких испытаний.
Д л я объектов, питание которых осуществляется от источников электрической энергии переменного тока, программой испы275
таний предусматривается отклонение напряжения: питания
номинала как в сторону его увеличения, так и в сторону л?^
уменьшения. При этом увеличение или уменьшение напряже!?
может сопровождаться повышением или понижением частот^
питающего переменного напряжения.
''
Д л я осуществления программы испытаниП при поинженни,
и повышенных напряжениях питания и при вариациях частоту
применяют специальные установки с автоматическим упраплр
нкем указанными величинами по заранее введенным в, блоки
управления этих установок программам.
, .
Объекты, подключаемые к механическим источникам энер.
гии, подвергаются испытаниям при повышенных или пониженных скоростях привода, при колебаниях входных скоростей/а
также при повторных отключениях привода.
Объекты испытаний, имеющие органы настройки, подвергаются испытаниям на стабильность настройки или на точность и
быстродействие систем автоподстройкн, если такие в объекте
существуют. В программу таких испытаний могут входить испытания на вибростендах, в термокамерах при повторных нагревах
и охлаждениях и др.
, ,
Так как в соответствии с определением ' работоспособным
объектом признается лишь такой объект, который .полностью
удовлетворяет техническим условиям, то после проведения всех
испытаний, предусмотренных программой, необходимо для измерительных устройств провести проверку всех их метрологических характеристик.
Следует отметить, что, несмотря на автоматизацию, осуществление описанных видов испытаний очень трудоемко №
стоимость их высока. Поэтому часто идут на сокращение программы испытаний. Испытания по полной программе проводят
при выпуске новой продукции и затем через определенные промежутки времени для выборок в соответствии с установленными
для данного вида продукции правилами. Между испытаниями,
проводимыми по полной программе, могут быть предусмотрены
промежуточные испытания по сокращенной программе". ОднакЬ
и пр^и испытаниях проверка обычно носит выборочный характер.
Так как в подавляющем большинстве случаев у тех/экземпляров изделий, которые прошли испытания по полной програм;
ме, в значительной степени сокращает срок их п о с л е д у ю щ е й
службы, их не сдают для промышленной эксплуатации вместе
с другими изделиями той же партии. Поэтому в настоящее время большое значение имеет разработка программ испытании
для индивидуального прогнозирования надежности изделий, пр"
которых может быть испытано каждое изделие без существенного уменьшения его срока службы
276
:
С П И С О К ЛИТЕРАТУРЫ
1 Б е л я н и н П. Н. Промышленные роботы н их применение. М.; Машкнопоение. 1983. 311 с.
2 В о р о н ц о в Л . Н., Корндорф С Ф., Трутень В. А., Федотов' А. В. Теория
п о о с к т и р о в а п и с контрольных автоматов. М.: Высшая школа, 1980, 560 с.
3 Жалнерович Е. А., Титов А.
Федосов А. И. Применение промышленных роботоо. Минск: Беларусь. 1984. 222 с.
4 Карташова Л . Н. Достоперность измерений и критерии качества испытзний приборов. М.: Пзд-во Стандартов, 1967. 231 с.
5. Контрольно-измерительные автоматы и приборы для автоматических
линий/Под ред. М . И. Кочснова//М.: Машиностроение, 1965. 372 с.
6. Короткое В. П., Тайц Б. А. Основы метрологии и теории точности измерительных устройств. М.: Изд-во Стандартов. 1978. 3 5 2 с.
7. Либерман Я . Л., Кувшинский В. В. Контрольно-сортировочные автоматы. М.: Машииостросние, 1983. 96 с.
8. Микропроцессорные системы управления в робототехнике/Под ред.
И. М. Макарова и др.//М.: Наука. 1984. 175 с.
9. Микропроцессорные элементы интегральных схем. Состав и структура/
Сприпочник. Под ред. А. А. Васенкова н В, А. Шахнона/Ссрия «Массовая
библиотека и1гжснсра. Элсктроника»/Вып. 31. М.: Радио и связь, 1982, 200 с.
10. Микропроцессоры в автоматике и промышленной электронике. Одесса:
1984. 87 с.
. 11. Погорелый В. С. Исследование влияния настройки элементов цикла на
точность обработки при шлифовании. Труды И М А Ш . М.: Наука, 1965. 10 с.
12. Проектирование микропроцесгорных измерительных приборов и систем. Кисн: Техника. 1984. 215 с.
13. Пугачев В. С. Основы автоматического управления. М.: Наука. 1974.
719 с14. Саркисян С. А., Ахцыдов В. М., Минаев Э. С. Большие технические системы. М.: Наука. 1977. 350 с.
15. Якушев А. И., Воронцов Л, Н., Федотов Н. М. Взаимозаменяемость,
стандартизация и технические измерения, М.: Машиностроение, 1986, 350 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
I• Т
•
I.
• ,
,,
•
1
'
• 1 •
Глава 1. Принципы построения средств автоматического контроля , .
'
«
.
1. Выбор точности
• .
. .
. 2 . Принцип инверсии
' 3. Принципы построения средств контроля
и . Принцип совмещения функций контроля с функциями управ1
ления технологическими процессами . . . . . . . . . . . . . .
I ' •
.
.
. .
.
'
- '.
••
.
• •3
4
4
7
9
15
. 1 - 1
277
2. Проектврошание устройств контроля . .
Глава
18
•
•
•
•
1 Устройства контроля лияейных величии
« •
•
2 Устройства контроля скл упр^ости . .
3. Устройства контроля термообработки, структуры иатсрнала
и твердости поверхности
•
•
• • •
4 Устройства контроля массы
5 Устройства контроля скоростей и ускорений .
6. Устройства контроля шероховатости и дефектов поверхности
• • •
•
• • • • •
7.' Устройства контроля температур
• •
• • •
8. Устройства контратя давлений .
• •
• • •
9. Устройства контроля радиации
10. Устройства контроля атмосферы
П.Устройства контроля скорости и расхода потоков .
• • «
Глаза
и
36
38
41
42
49
54
64
67
70
73
76
76
78
80
85
6. Расчет критических параметров
7. Определенве значений отрыва наконечников от поверхности
коитралнруемой детали
8. Показатели динамической точности и методы их определения
89
93
96
154
154
1. Структурная схема и классификация
155
2. Производительность
3. Проектирование систем автоматического контроля для автоматических линий
158
4. Использование микропроцессорных средств
• • 162
165
5. Системы централизованного контроля
278
6' Измерительные роботы
1. Назначение и классификация . .
2. Конструктивные особенности . .
!
3. Системы управления
4. Сенсорные визуальные роботы
5. м и к р о э в м роботов . . . .
6. Области использования измерител'ьны^ робо'тов
! . .
, .
•
!
1
•
С
I.
^ «
107
4. Проектвроваиие устройств активного контроля
107
1. Основные понятия и классификация
ПО
2. Уровня ко>ггра1ирусмых параметров
113
3. 1^ятсрйи повышения точности обработки
115
4. Пути управления точностью обработки
5. Анализ источников появления погрешностей обработки при
119
активном контроле
6. Расчет статической точности У А К
• • 121
7. Расчет динамической точности системы управляющего контро127
ля размеров
8. Проектирование и расчет точности автоподналадчиков технологического оборудования
134
9. Влияние динамических погрешностей головок на точность об143
работки деталей
Глава 5. Системы автоматического контроля
Глава
%
.и
3. Теория динамической точности контрольных контактных авто
матм^ироааянмх )Хтройст«
1. Ралновидности дннаынчсскнх погрешностей
2. Входные функции контрапьных систем . . .
3. Точностные дннамическнс характеристики
•
•
•
4. Уравнение движения ыеханнческих элементов системы
5. Определенне погрешностей, вызванных силовыми дсформа
Глава
*
167
167
169
173
176
179
183
Г
4' '
;.
I »
Глава
1. Л\икропроцессорные
устройства
систем
автоматизированного
контроля « . • •
ги микропроцессорных систем автома
1. Особенности
автоматизированного
*
•
контроля . . . II
2 Проектирование микропроцессорных устройств контроля . . .
е3." Основные области использования микропроцессоров в системах контроля
4. Функциональные и структурные схемы микропроцессорных устройств контроля
Глава
Глава
8. Испытания, для определения влияния метрологических и технологических факторов на точность активного контроля размеров
1. Комплексы поверок устройств активного контроля и их последовательность
. , .
2. Позерка метрологических характеристик У А К в статических
условиях , ,
3. Определение влияния технологических факторов (влияющих
функций) на деформацию воспринимающих элементов У А К .
4. Производственные совместные испытания технологического оборудования с У А К .
9- Автоматическое техническое диагностирование и испытания .
1. Техническое диагностирование и его показатели
2. Расчет показателей диагностирования и контролепригодности
3. Алгоритм диагностирования
4. Системы для моделирования вибраций . . . . . . . . . . . .
5. Системы для моделирования ударных нагрузок
6. Системы для моделирования линейных ускорений и невесомости
7. Системы для моделирования низких и высоких температур . .
8. Системы для моделирования климатических условий
9. Системы моделирования радиационных воздействий . . . . .
101 Испытания для определения надежности аппаратуры
Список литературы
Е м к и ""
195
203
203
211
214
217°
240
240
242
252
256
262
265
267
270
273
275
УКАЗАТЕЛЬ
Л
1У1
277
ПРЕДМЕТНЫЙ
- ~
Г
1 Ои
,09. .35
" ^
213
в"^модеПст1ие линейное 10
"
Вибропрочиость 97, 261
запаздывания 83
.04
Глубина поиска дефекта 241
Граница настройки »38
~ технологический 4
критический 28
" " е м ы 116
Интерфейс 190
279
— актямый 107
— оптммалкяый ЮЯ
упракляющяй 107
Ко«ффнпиенг гяуСияи поиска 241
— избыточности сйъекта 241
нслольлоыиия 156
— исправности 241
— умличеякя .точиости П<
иачалькмй 11&
—
прогрвссяаныв 11&
рггрсссивяый 115
средяи* 115
Метод аятиаиого жонтроля 107
—- коипгисаииоииыЯ 25
— коидуктометричсский 71
~ коятрод* роликом !в
— кулоиомггричккий 71
— пассивиого комтродя 107
— подкаладки по медиане 140
—
одяоЛ детали 139
— — поаторкмм импульсам 140
— средисарифкетйчсскоиг 140
— пол«Графичсс«иа 71
—' срааисяки 19
— тгрмошумоаой 63
— ультра^яукоаой 74
— шумов Баркгаумма 39
Мнаропроцесеорои
Микроскоп фотомсктричессай 33
.Мулыичетр 195.
1идсяяослк точиостия 230
• )«г.ратор сястемы М
Плрлаетр дейсгвиггльаый НО
• коитролируеммй ПО
' критический 89
— пастросчимА ПО
«П
— номинальный ПО
— овтямадьиый ПО
— предельмий ПО
— предписанный ПО
— прииитыД 1И
— текущий П1
Пирометр 60
Погрешность ахиггивяан
— динамическая П . 82. V»
— допускаемая 6
)апа1див^няя Ш
— измерения 4
— инструментальная 130
— методическая 120
— муд%тяаликатнаяая 196
— натройм 120. 211
— систематическая б
— случайная 5
— срабатывания 2И, 213
— стандартнмнаявая &
— суммарная Ш
— технологическая $
— жсплуатаииониая 123
Поле декартовое 17в
— картинное 178
— сферическое 17Я
Порог чувствительности 2П. 242
Предел допускаемых погрешностей б
Преобраюватель биметаяличесжнЯ 3
— дилатометрический 54
— смкостноД 24
— ипдуктивиыП 24
дифференциальный 23
— чиогопрсдельпый 21
— — пироэлектрический 62
— радиационный Б7
— струнный &3
— тгрмо>лсктрнчсскиА 5« ,
— фото)лсктричсский интенсивности 29
— — снаиированян 29
— элект1н>контнкт11ыЛ 23
,
—• >лсктросгрнк1(ноинмй 38
Приемники и]лучений 70
'
Принцип Лббе II
I .'
— Далачбера В5
— инверсни 7
— опережающего увеличения точности 5
107
:• ,
— равных угло» 14 •
— совмсщсии* контроля с управлсннсм
— Тейлора 9 •
Прои1иодителЫ1ость 155
— действительна я 15(| ,
| .
— циклопаи 156
'
Работоспособность 276
' . „
Режим квлэистатичсский 125
Робот И.1ЫСрИТСЛЬИЫП 1С7
I
— адаптивный 169. 182
. ' ;
— интегральный 1Г>9
—- сенсорный ви.1уалы1ыЛ 176
очувствлсиный 168
Рычаг синусный 13
'1
— тангенсный 13 '
— теоретический 14
' . .
,
Сигнал входной 78
— выходной 60
•
•
Система автоматическая 154
,— — диагностирования 240
комплектующая 154
— — коитра.11.1ган 154
— — разбракоиочная 154
— — релейная 131
' I' •
— — саионлстрзниаютанся 17, 108 ,,
— — сенсорнаи 171
иентролнзованного контроля |б5
Скаииронанне 163
Солдо >жекторно« 22
•
|' '
; '
Суперсистема 116
,,
«. »
Тахогеиератор 43
Тенюре^истор 37
Тсрмнстор 5в
Точность 217
, , .
— Измерения 23*1 .
• ; I .
— наблюлсаин 4
— статичсскаи 121
Трудоемкость диагиистирцшнни
Уровень ллр;1Ч1-т1>.| П2
Усилие н 1М1)1ит»>.11.1и.1'
Фактор 1нмл|Тк'Г111»ч
Функции пч'^дня)! 7". I
,
ти(Ю1ин 7Ч
— Шредаточилч ЬЧ
• ' ' '•
'<1'
Ха)1лкт1пнстнка омплнтудно-фгкюини 81
частотнин
01)
- .,,
|
— грйлунроночнля 81 •
'
.
— переходивн 83. 101
— чдстоггко фаюиан В2
Частота критичсека и 9(1
Число Био 2М
Чунстонтс.и.ность
2<1
<
Эффект Донилера 4)>
, • •
,.
