книги из ГПНТБ / Средства линейных измерений в зарубежном машиностроении

УДК 389.6 + 389:65(73)

Средства линейных измерений в зарубежном машинострое­ нии. О б з о р н а я и н ф о р м а ц и я . Издательство стандартов. 1974, с. 1—76.

В настоящем обзоре приведено описание применяемых в зарубежном машиностроении измерительных средств. Даны технические характеристики некоторых типичных и наиболее прогрессивных измерительных машин, приборов и инструмен­ тов. Представлены литературные данные об экономической и

средств измерения геометрических параметров и оценки каче­ ства продукции. Рис. 3, табл. 4, библ. 81.

Составитель М. И. Меклер Ответственный за выпуск К- Г. Ильина

^ 4з™™,точчый научно-исследовательский институт техни

C,w л .ipupm. -ОС '’ПИИ и к-'

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СТАНДАРТОВ СОВЕТА МИНИСТРОВ СССР

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ- ИНСТИТУТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ, КЛАССИФИКАЦИИ И КОДИРОВАНИЯ (ВНИИКИ>

ОБЗОРНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Се р и я : Метрология и измерительная техника

СРЕДСТВА ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В ЗАРУБЕЖНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

ВВЕДЕНИЕ

Линейные измерения составляют около 80—90% намере­ ний, выполняемых на деталях, имеющих определенную гео­ метрическую форму [1]. Эти измерения должны давать ин­ формаций и о качестве самой продукции, и о правильности хода производственного процесса на всех его стадиях.

При исследованиях,- предшествующих созданию новой продукции и направленных на повышение ее эксплуатацион­ ных характеристик, например производительности, точно­ сти, надежности машин, зависимость этих характеристик от геометрических параметров отдельных деталей машин опре­ деляется путем многочисленных измерений. При этом ре­ зультаты исследований часто зависят от того, с какой точ­ ностью и какие именно параметры были измерены.

Практическое использование результатов исследованийосуществляется на следующией стадии производства — при

азработке и конструировании машин и других изделий.

1

Основными параметрами, определяющими !качество про­ дукции, являются допуски на раамеры, форму, положение поверхностей и шероховатость. Допуски делятся на функ­ циональные и производственные. Первые определяются пу­ тем исследований, расчетов или экспериментов, проводимых на (моделях или образцах, в условиях, приближающихся к реальным эксплуатационным.

При этих экспериментах также выполняют измерения с целью проверки расчетных допусков, определения отклоне­ ний от заданных размеров и выяснения возможности выпол­ нять измерения с необходимой точностью. При разработке технологии производства испытываются и требующиеся из­ мерительные системы и приборы. При создании и проверке состояния обрабатывающего оборудования тоже выполня­ ются линейные измерения. Необходимо решить, какие изме­ рения могут и должны производиться в процессе производст­ ва или для контроля за состоянием оборудования, износ и смещение настройки которого влияют на качество продукции.

Для получения качества продукции с наименьшими зат­ ратами необходимо разрабатывать технологию контроля на стадии разработки конструкции и технологии обработки изде­ лия. При ;выборе технологического процесса с помощью ли­ нейных измерений оцениваются следующие параметры этого процесса: погрешности изготовления и измерения; рабочая точность станков, приспособлений и инструментов; предель­ ные погрешности измерительных средств; влияние среды на погрешности изготовления и измерения; отклонения размеров изготовленных образцов от номинальной геометрии.

Непосредственно в процессе изготовления изделий линей­ ные измерения служат для определения степени отклонения реальной геометрии от номинальной и выдачи информации для производства.

Особое значение эта информация имеет для управления автоматическими процессами, при которых по статистически обработанным результатам измерения производятся подна­ ладка и корректировка оборудования.

Кроме цеховых измерений, линейные измерения выполня­ ются и в (контрольных пунктах для входного контроля мате­ риалов и приемочного контроля продукции, а также в изме­ рительных лабораториях, где проверяются приспособления, штампы, инструменты, приборы. Вся получаемая информа­ ция в конечном счете служит для решения проблем обеспе­ чения качества и надежности продукции.

Большое разнообразие решаемых с помощью линейных измерений задач, а также разнообразие форм и размеров

2

контролируемых деталей вызвали и большое разнообразие измерительных средств. Измерительные средства различают­ ся по измеряемым параметрам: номинальным размерам;, измеряемым допускам; допустимым погрешностя!м; методам

ная); способу преобразования измеренной величины (меха­ нический, пневматический, электронный и др.); способу об­ работки сигнала (аналоговый или цифровой отсчет, ре­ гистрация, печать, сортировка, управление);

Одним из решающих факторов при выборе измеритель­ ных средств является экономическая эффективность. Она в значительной мере предопределяет и организационную фор­ му контроля, и применяемые средства измерений.

Повышение требований к качеству продукции вызвало рост объема и точности необходимых измерений. Кроме того, повышение производительности методов изготовления, их ав­ томатизация также увеличивают долю времени измерений в этих процессах. Если лет 30 назад она составляла не более 110%, то в настоящее время нередко доходит до 20—25% [2]. Таким образом, увеличивается и доля затрат на измерения.. Следует учесть, что с возрастанием требований к точности и производительности измерений, а также с появлением новых задач усложнились измерительные средства и повысилась их стоимость. Темп роста приборостроения выше, чем средний темп роста машиностроения. Капиталовложения на измерительную технику составляют около 20% общих капиталовложений [1].

Стремление получить необходимое высокое качество с наименьшими затратами заставляет перейти от заградитель­ ных к предупредительным функциям контроля. Таким обра­ зом, центр тяжести измерений перешел от контрольных пун­ ктов к цехам и измерения во все большей мере становятся интегральной частью производственного процесса.

Для обеспечения необходимого качества без резкого по­ вышения стоимости решающее значение имеет выбор опти­ мальных допусков. С одной стороны, конструктор стремит­ ся задать жесткий допуск, гарантирующий наилучшее функ­ ционирование машин, а с другой — соблюдение жестких до­ пусков требует дополнительных затрат. Точность дорога и отражается на стоимости, а следовательно, конкурентоспо­ собности изделий.

В массовом и крупносерийном производстве уже доволь­ но давно во избежание брака прибегают к методам активно-

го контроля и подналадке оборудования по результатам из­ мерений. С появлением новых отраслей производства, таких, например, как ракетостроение, где при сравнительно малых партиях деталей их стоимость велика и для обработки при­ меняется сложное оборудование, простои которого связаны

•с большими материальными потерями, также необходимо повышать производительность измерений и использовать их результаты с минимальной задержкой.

Таким образом, в настоящее время измерительные сред­ ства получают новую функцию — осуществление обратной ■связи с обрабатывающим оборудованием. Выполнение высо­ коточных измерений непосредственно в цехах у рабочих мест или даже на станках существенно влияет на конструкцию производственной измерительной техники. От нее требуется значительно большая жесткость по сравнению со средствами, работающими в лабораторных условиях, возможность защиты от влияния неблагоприятной среды (вибрация, пыль, влаж­ ность, температура).

Сочетание процессов изготовления и измерения, особенно в условиях автоматизированного высокопроизводительного производства, требует автоматизации процесса измерения или во всяком случае такого повышения его производитель­ ности, чтобы измерения не вызывали простоя оборудования,

.замедления производственного процесса, большой загрузки оператора.

Одним из характерных направлений развития производст­ венной измерительной техники можно считать стремление максимально устранить вмешательство человека путем авто­ матизации процесса измерения, обработки и использования его результатов. Если участие оператора неизбежно, то стре­ мятся по возможности упростить обслуживание измерительных средств, снизить требования к квалификации обслуживающе­ го персонала. Это объясняется и экономическими соображе­ ниями, связанными с оплатой квалифицированного труда, а также со стремлением устранить погрешности, вызываемые утомлением оператора, ошибками отсчетов и др. .Кроме того,

в ряде стран отмечается недостаток квалифицированной ра­ бочей силы.

Требования к измерительным средствам, применяемым в контрольных пунктах и заводских измерительных лаборато­ риях, не претерпели столь существенных и принципиальных изменений, как к цеховым. Как правило, лабораторные из­ мерения всегда были и остались более точными и трудоемки­ ми, чем цеховые, поэтому лабораторные измерительные сред­ ства в принципе, меньше изменились за последние десятиле-

4

тия [2]. Однако и в лабораторные измерительные средства то­ же внесено много, иногда достаточно существенных усовер­ шенствований, направленных на повышение объективности и производительности измерений. Вместо механических уст­ ройств получили распространение индуктивные и фотоэлект­ рические приборы и датчики, в качестве мер сравнения при­ меняются электромагнитные или фотоэлектрические масшта­ бы. Для обработки результатов измерений, выдаваемых в форме электрических сигналов, используются счетно-решаю­ щие устройства, чем значительно снижается трудоемкость и повышается производительность вычислений. Многообразие задач измерения и различие организационных форм контро­ ля, а также экономические причины приводят к тому, что не­ смотря на появление принципиально новых, и, казалось бы, значительно лучших измерительных средств они не вытеснили полностью традиционные, проверенные десятилетиями, а ино­ гда и веками, измерительные инструменты и приборы. Эти из­ мерительные средства продолжают не только выпускаться и использоваться, но и совершенствоваться. За исключением отдельных неудачных, отброшенных практикой конструкций, нельзя назвать какие-либо измерительные инструменты и приборы для линейных измерений, которые полностью исчез­ ли бы из употребления, вытесненные новыми средствами.

Уменьшается удельный вес калибров в общей массе из­ мерительных средств, но для малых отверстий жесткие калибры-пробки, изготовляемые с высокой точностью разме­ ров и геометрической формы, сохраняют свое значение. Ка­ либры нужны при измерении резьбы, статистическом контроле, обеспечении взаимозаменяемости без существенного умень­ шения допусков [3, 4]. Поэтому калибры продолжают выпус­ каться, но совершенствуется технология их изготовления, обеспечивающая высокую точность размеров, формы и каче­ ства поверхности, применяются более износостойкие мате­

риалы.

Не отпадает необходимость и в штангенциркулях, микро­ метрах, индикаторах часового типа. Пневматика или оптика уживается с электроникой, часто применяются комбиниро­ ванные устройства, использующие преимущество разных ме­ тодов измерения и получения измерительного сигнала.

Неизменным является назначение измерительных средств — все они служат для оценки качества, надежности и обеспечения взаимозаменяемости.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ И ПРИБОРЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Номенклатура механических инструментов и приборов очень велика- К ним относятся штриховые и концевые меры, калибры, нутромеры, штангенциркули, высотомеры, глуби­ номеры, микрометры, индикаторы и другие измерительные головки и т. д., не говоря о специальных измерительных

средствах.

В настоящем разделе будут рассмотрены некоторые из них, а также усовершенствования, внесенные в последние го­ ды в наиболее распространенные универсальные средства производственных измерений, и приведены некоторые типич­ ные примеры этих усовершенствований [б].

Калибры. Конструкция жестких калибров не претерпела за последние годы существенных измененийНекоторые фир­ мы совершенствуют ручки для насадок, облегчают введение калибра с помощью ваходной части.

В серийном производстве калибры применяются при до­ пусках свыше IT9, особенно для контроля малых отверстий диаметром менее 3 мм и для контроля резьбы. Кроме того, они используются для промежуточного контроля, а также для приемочного и входного выборочного. Преимуществами их применения являются: простота использования; малое время контроля; низкая стоимость; отсутствие погрешностей отсче­ та и настройки, износостойкость, которой добиваются пу­ тем применения твердых сплавов или твердых металлов, та­ ких как Ferro-Tic фирмы Deutsche Edelstahlwerke AG Titanitfabrik. Этот матерал легче твердых сплавов, имеет после за­ калки твердость HRC 72 и не подвержен деформациям. Хра­ нение и обслуживание калибров упрощает отсутствие под­ вижных изнашиваемых частей. Благодаря соблюдению прин­ ципа Тейлора калибры особенно пригодны для подбора со­ пряжений, для получения взаимозаменяемых деталей, при функциональном контроле [6, 7].

Недостатками применения калибров являются: появление утомления и ошибок при использовании калибров свыше 100 мм; необходимость иметь для каждого размера и допу­ ска специальный калибр; сужение общего допуска на изго­ товление за счет допуска на износ, что не позволяет пол­ ностью использовать допуск изделия и удорожает производ­ ство. Кроме того, калибр не выявляет отклонения от цилиндричности, что особенно сказывается, если допустимые отк­ лонения формы составляют только долю допуска на изготов­ ление; процесс настройки станков по калибрам очень непро­

6

изводителен. Основным недостатком калибров является то, что они могут толыко констатировать факт нахождения раз­ мера детали в пределах допуска или выход за эти пределы, но не позволяют судить о действительном размере обраба­ тываемой детали, тенденциях к смещению настройки стан­ ка и тем самым не позволяют принимать профилактические меры по его подналадке, что в настоящее время считается основной функцией измерительных средств. Поэтому калиб­ ры как средство измерения непосредственно на станке в зна­ чительной мере теряют свое значение.

Штангенциркули. Штангенциркуль является одним из старейших измерительных инструментов. Он используется уже около 150 лет. Простота и универсальность делают его незаменимым при мелкосерийном производстве деталей не­ высокой точности, например, для измерения несопрягаемых размеров.

Органическим1 недостатком штангенциркулей является несоблюдение принципа Аббе. Для уменьшения вводимых из-за этого погрешностей второго рода стремиться укорачи­ вать губки, уменьшать зазоры между штангой и движком. Но полностью устранить эту погрешность невозможно.

Многое сделано фирмами для уменьшения погрешности от параллакса. Все ведущие фирмы выпускают в настоящее время штангенциркули не с накладным нониусом, а с нониу­ сом, расположенным параллельно штанге в одной плоскости.

Большие погрешности отсчета по нониусу 1/50 и низкая производительность такого отсчета привели к тому, что боль­ шинство фирм отказалось от применения этого нониуса для повышения точности отсчета [8].

Около 30 лет тому назад, примерно в 1920 г., появились первые штангенциркули с индикатором. Индикаторы часово­ го типа до настоящего времени являются наиболее широко применяемым измерительным средством, и естественно, что множество фирм, таких как Tesa (Швейцария), Mauser, Hommel & Keller (ФРГ), Patent und Versuchanstalt (PAV) Va­ duz (Лихтенштейн), пришли к мысли о возможности их ис­ пользования для отсчета по штангенциркулям.

Такие штангенциркули выпускаются с ценой деления 0,02 (Tesa) и 0,05; 0,1 мм (PAV). Целью этой конструкции явля­ ется сокращение времени отсчета и устранение погрешно­ стей при низкой квалификации измеряющего. Однако пона­

когда все больше в производство втягиваются малообучен­ ные кадры, применение штангенциркулей с круговой шка­

лой хотя и растет, но они используются меньше штангенцир­ кулей с нониусом. Для определения и сравнения затрат времени на измерение с -помощью штангенциркулей с нониу­ сом и круговой шкалой было проведено исследование, в ко­ тором участвовали две независимые группы. В одной группе из 12 человек 9 участников (мастера, механики, контролеры) постоянно пользовались штангенциркулями, а остальные — от случая к случаю. Другая группа состояла из 26 человек, которые имели не менее двух лет практики пользования жест­ кими измерителями, разный опыт пользования штангенцир­ кулями, но не знали штангенциркуля с круговой шкалой. Первая группа в данном исследовании пользовалась штан­ генциркулями фирмы Tesa с круговой шкалой с ценой деле­ ния 0,02 мм и с нониусом с той же ценой деления. Вторая группа наряду с нониусным штангенциркулем применяла штангенциркуль с круговой шкалой деления 0,1 мм. В первом случае все участники сделали по нескольку отсчетов при раз­ личных установленных значениях. Во втором случае установ­ ленные значения были у всех одинаковы. Установка произво­

пы понадобилось от 53 до 138 с, а при использовании круго­ вой шкалы — от 31 до 82 с, что в обоих случаях дает соотно­ шение 2,6 : 1. Для отсчета по нониусу с ценой деления 0,02 мм (с параллаксом) первая группа затрачивала в среднем 18.8 с, а вторая — 15,1 с. При нониусе с той же ценой деле­ ния, но без параллакса, время отсчета составило в среднем

13,7 с.

Время отсчета по круговой шкале для различных конст­ рукций шкал сильно разнилось. Для штангенциркуля фирмы Tesa с ценой деления 0,02 мм среднее в-ремя отсчета состави­ ло 9,9 с, тогда как отсчет по прибору Hommel & Keller с це­ ной деления 0,05 мм потребовал в среднем 19,1 с, что объяс­ няется направлением отсчета против часовой стрелки. При от­ счете по прибору Mauser с двумя стрелками время отсчета оказалось еще больше: в среднем 21,1 с. Наименьшее время 6.8 с затрачивалось на отсчет по четкой шкале с ценой деле­ ния 0,1 мм пластмассового штангенциркуля фирмы PAV. Во всяком случае, опыт показал, что наиболее быстрые отсчеты получаются по круговым шкалам с оцифровкой в направле­ нии часовой стрелки и с одним указателем.

При определении погрешности отсчета для обеих групп частота ошибок отсчета по нониусу была примерно вдвое больше, чем по круговой шкале. Рассеяние отсчетов по но­

8