Современные средства измерения валов

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИКА»

Modern Means of Shaft Measurement
Geometrical parameters of shafts can be controlled by different ways and means: manually or with the help of a coordinate-measurement machine. The newly created systems for shaft measurement have radically changed the approach to metrological equipment and have already firmly taken up their niche. Unlike a set of hand measuring gauges, they allow complex measurements of a shaft-like part to be carried out in one setup.

Локтев Д.А., группа Технополис, г. Москва

Геометрические параметры валов можно контролировать различными средствами и способами: вручную или с помощью координатно- измерительной машины.  Появившиеся относительно недавно системы для измерения валов принципиально изменили подход к метрологическому оснащению, и уже прочно заняли свою нишу. В отличие от комплекта ручных средств измерения они позволяют произвести комплексное измерение детали типа «вал» за один установ.

Валы применяются повсеместно. Во всех случаях, когда реализуется вращение вокруг оси, в конструкции присутствует вал. Валы могут быть маленькими (например, в часах) или большими (например, судовые валы). Они могут содержать практически любое количество функциональных элементов — зубчатых венцов, шлиц, резьб, конусов, канавок и шеек под подшипники — и все эти элементы характеризуются критическими размерами. Например, обычный вал автомобильной коробки передач требует измерения более 60 геометрических параметров. На рис. 1 представлен простой вал, на котором выделены только критические размеры, т. е. те размеры, которые влияют на работоспособность и функциональность вала и обязательно должны контролироваться в процессе изготовления. Таких размеров на чертеже 16.

Геометрические параметры валов могут контролироваться различными средствами от простых ручных средств измерения до координатно- измерительных машин.

Появившиеся относительно недавно устройства могут принципиально изменить подход к метрологическому оснащению, в том числе, при измерении валов.

Основными характеристиками при выборе средств измерения сегодня являются точность, универсальность, производительность и возможность обработки результатов для сбора статистических данных для управления процессом. На смену «жестким» системам (калибрам-кольцам и калибрам-пробкам) приходят цифровые средства измерения, позволяющие не только качественно оценить годность или негодность детали, но и получить количественные значения основных размерных параметров.

Сегодня уже достаточное распространение получили цифровые средства измерения — штангенциркули, микрометры, высотомеры, индикаторы. Эти приборы полностью универсальны в своем диапазоне, обладают достаточно высокой точностью и относительно дешевы. Основной аргументацией в пользу приобретения этих устройств является именно соотношение точности (допустимой погрешности) и его стоимости. Некоторые поставщики уверяют, что цифровые измерительные инструменты могут заменять любые другие устройства по точности, и существенно дешевле сложных приборов. При этом они забывают упомянуть, что эти слова являются правдой только при определенных условиях. Во многих ситуациях точности этих средств измерения недостаточно для получения надежного результата после механической обработки детали, а в условиях статистического управления процессами это решением перестает быть дешевым.

Российские стандарты определяют, что погрешность приборов должна составлять не более 30 % поля допуска контролируемого размера участка. В Европе и Америке, особенно в автомобильной промышленности, действует «золотое правило десяти», смысл которого заключается в том, что погрешность измерения должна быть в 10 раз меньше допуска на контролируемый размер. Говоря о погрешности средств измерения необходимо четко различать цену деления и максимально допустимую погрешность прибора. Подмена этих понятий может привести к тому, что контроль будет производиться с недостаточной точностью. Например, цена деления цифрового штангенциркуля составляет 10 микрометров, в то время как максимально допустимая погрешность составляет 40 микрометров, т. е. в четыре раза больше. В соответствии с указанными выше стандартами это приводит к тому, что цифровой штангенциркуль при соблюдении всех метрологических норм может быть применен для контроля размеров с полем допуска 120 микрометров, а не 30 микрометров, как в случае с оценкой по цене деления. А по мировым правилам — для контроля размеров с полем допуска 400 микрометров (например, длин с допуском ± 0,2  мм).

Если предполагается сбор статистических данных для последующего анализа и управления процессами, то необходимо применять цифровые ручные средства измерения с интерфейсом для вывода информации. Такие приборы имеют более высокую стоимость. Кроме того, необходимо предусмотреть систему сбора и анализа информации со всем необходимым программным и аппаратным обеспечением. Это сразу удорожает систему. Если в обычных условиях вы можете измерить одним устройством (например, штангенциркулем) все размеры на детали, соответствующие диапазону измерения и точности штангенциркуля, то в условиях сбора статистики каждый параметр должен фиксироваться отдельно. На практике это означает, что для каждого размера нужно иметь свое устройство, присоединенное к определенному каналу системы сбора и оценки статистики. Поэтому в этих условиях ручные средства измерения уже не являются очень дешевым решением.

При всей универсальности ручных средств измерения они решают только часть задач. Область их применения относится к измерению линейных и угловых величин. Для контроля погрешностей формы и положения требуется применение других приборов. Возвращаясь к детали на рис. 1, отметим сразу, что указанные допуски на биение и конусность невозможно контролировать ручными устройствами. Кроме того, часть полей допусков размеров этой детали находится на границе применения ручных средств измерения и надежность процесса не может быть гарантирована.

Контроль большого количества параметров в условиях статистического управления процессом с помощью ручных средств измерения также представляет определенную проблему с точки зрения его производительности. Измерение одного диаметра универсальным микрометром может занимать до 30 секунд. Если таких параметров много, и контроль производится последовательно несколькими устройствами, то этот процесс может быть достаточно длительным.

Выходом из этой ситуации являются системы для измерения валов. Они появились на рынке относительно недавно, но уже прочно заняли свою нишу. Даже в ручном исполнении эти приборы обеспечивают очень высокую производительность. В это трудно поверить, но контроль всех 16 параметров детали, представленной на рис.  1, с помощью ручной системы измерения валов занимает у оператора средней квалификации всего 2,5 минуты. Эта проверено на практике.

Контроль с помощью автоматического прибора не производился, но имеющийся опыт позволяет говорить о времени измерения всех параметров меньше, чем за 1,5 минуты.

Кроме высокой производительности, приборы для измерения валов обладают очень высокой точностью. Максимально допустимая погрешность измерения диаметров приборами с ручным управлением составляет (0,5+L/100) мкм, а на автоматических — (1,5+L/125). Здесь L — номинальное значение измеряемого размера. Таким образом, максимальная погрешность при измерении диаметра 100 мм на ручном приборе составит 1,5 мкм, а на автоматическом приборе — 2,3 мкм. Точность измерения длины ручными приборами составляет (3+L/100) мкм, а автоматическими — (2+L/125) мкм.

Итак, приборы для измерения валов обеспечивают очень высокую точность и производительность измерения. А как обстоит дело с универсальностью? Достаточно ли они универсальны? Ответ показан на рис. 2. На этом рисунке представлены все метрологические возможности прибора для измерения валов. Рассмотрим их более подробно.

Приборы для измерения валов позволяют измерять:

  • линейные размеры, в том числе в канавках;
  • диаметральные размеры, в том числе в канавках;
  • радиальные и торцовые биения, в том числе на прерывистых поверхностях, относительно оси центров детали;
  • эксцентриситет отдельных поверхностей относительно оси центров детали;
  • радиальные и торцовые биения относительно оси, построенной по измеренным цилиндрическим поверхностям, (диаметры деталей, не имеющие диаметрально противолежащих поверхностей;
  • округлость отдельных поверхностей;
  • соосность поверхностей детали относительно других измеренных поверхностей;
  • угол и длина конуса;
  • расстояния до теоретических точек начала и конца конической поверхности;
  • радиусы и расстояние до теоретической точки центра окружности;
  • шаг резьбы;
  • линейное и угловое расположение отверстия (требуется специальный щуп);
  • диаметры деталей, не имеющих противолежащих поверхностей.

Как видно из приведенного списка, приборы для измерения валов позволяют измерять любые линейные и угловые размеры, в том числе до теоретических точек пересечения, а также отклонение формы и положения, в том числе не только относительно оси центральных отверстий, но и относительно заданных чертежом баз. Все измерения возможны и на прерывистых поверхностях.

Что же касается возможности документирования и сбора статистики при применении приборов для измерения валов, то здесь ситуация обстоит самым наилучшим образом. В процессе измерения результаты отображаются на экране прибора. Если указано поле допуска на измеряемый параметр, то при измерении отображается соответствие размера полю допуска. После окончания контроля выдается протокол, содержащий все результаты измерений (пример протокола приведен ниже). Кроме того, все результаты сохраняются в файл определенного формата, данные из которого могут быть экспортированы в любую программу статистического анализа.

Таким образом, приборы для контроля валов, в отличие от комплекта ручных устройств, позволяют произвести комплексное измерение детали типа «вал» за один установ.

Каким образом реализуется эта возможность? Рассмотрим коротко конструкцию приборов для измерения валов, производимых одним из мировых лидеров в поставке метрологических систем — фирмой Mahr (Германия).

Приборы фирмы Mahr разделяются по уже упомянутому выше принципу управления на ручные и автоматические приборы с сервоприводом. Ручные приборы характеризуются более низкой производительностью, но имеют и более низкую цену. Приборы с автоматическим управлением и сервоприводами (тактильные и оптические) существенно быстрее, не требуют участия оператора в процессе измерения (и, соответственно, исключено влияние человеческого фактора на результат измерения), но это стоит значительно дороже.

Приборы для ручного измерения

Приборы для ручного измерения (рис. 3) MarShaft MAN имеют горизонтальную компоновку. На стальной или гранитной станине имеются две зоны. В одной зоне смонтированы стальные высокоточные направляющие, по которым перемещаются каретки, на которые, в свою очередь, устанавливаются измерительные головки. Во второй зоне на отдельных направляющих установлены передняя и задняя бабки. Задняя бабка имеет возможность продольного перемещения по своим направляющим. Передняя бабка выставляется на направляющих с высокой точность относительно задней бабки.

На задней бабке смонтированы эталоны (рис. 4), по которым производится калибровка системы. Наличие эталона непосредственно на машине существенно облегчает метрологическое обслуживание системы. Проверка точности может быть произведена в любое время и, при необходимости, система может быть в любой момент откалибрована заново.

На каретках устанавливаются измерительные головки. Как правило, применяются три головки — для измерения диаметра, длины и биений (рис. 5).

Принцип действия головок таков, что для каждого измерения требуется минимальное количество действий.

При контроле диаметра с помощью головки DMS 120 (для диаметров до 120 мм) необходимо просто потянуть на себя заднюю часть головки (рис. 6). При этом измерительные наконечники перемещаются к оси детали до упора в контролируемую поверхность. В крайнем заднем положении головки создается необходимое усилие и фиксируется результат измерения. Таким образом, для контроля диаметральных величин требуется всего одно движение, поэтому измерение диаметра может быть произведено на 3…5 секунд, включая позиционирование головки по длине на нужное место. Для контроля диаметров до 220 мм применяется головка DMS 220 с моторизованным перемещением наконечников (рис. 7).

Для контроля длины применяется головка LTS (рис.  8). Принцип ее работы предельно прост. Один из двух стальных наконечников выдвигается из головки на необходимую длину, позволяющую коснуться измеряемого торца. Каретка с головкой подводится до момента касания наконечником этого торца. На каретке имеется фиксирующая система. Простым поворотом колесика этой системы в нужном направлении каретка прижимается к измеряемому торцу с нужным усилием и фиксируется. В этом положении производится считывание координаты для последующего определения размера. Правые и левые наконечники могут быть использованы попеременно в любой последовательности. Для удобства пользования системой в любом положении может быть произведено обнуление текущей координаты для отображения истинного размера в привычном виде. Для контроля размеров, заданных размерными цепочками, можно определить две нулевых точки и свободно переключаться между ними.

Для измерения радиального и торцового биения используется головка UTS (рис. 9). При применении этой головки необходимо коснуться наконечником контролируемой поверхности. При измерении радиального биения усилие в радиальном направлении создается самой головкой. При измерении торцового биения применяется та же фиксирующая система, что и при контроле линейных размеров. После того, как создано радиальное усилие, производится оборот детали с помощью привода вращения, встроенного в переднюю бабку. После завершения оборота выводится информация о биении, округлости и соосности данной поверхности. При желании можно вывести на экран и распечатать график.

Таким образом, за минимальное время с помощью простейших манипуляций можно измерить практически все параметры детали типа «вал».

При контроле параметров серийных деталей можно без труда составить программу измерения. Она составляется в режиме обучения. Это означает, что производятся те же манипуляции, что и при измерении детали. Программирование каждого перехода (измерение диаметра, длины, биения и т. д.) сопровождается появлением диалогового окна, в котором оператору предлагается ввести необходимые данные. Можно ввести обозначение измеряемого параметра, которое потом будет распечатано в протоколе, например, «размер 35 мм» или «диаметр шейки 35 мм» (если не вводить эти параметры, то они будут заменены в протоколе стандартными обозначениями). Далее надо определить вводом верхнюю и нижнюю границу поля допуска. Тогда при контроле по составленной программе на экране и в протоколе будет отображаться положение истинного размера относительно границы поля допуска, при этом цвет отображения позволяет сразу оценить годность изделия по данному параметру. Наконец, вводится указание оператору, что ему нужно сделать при измерении, например «коснуться правого торца детали». Все комментарии могут вводиться и будут отображаться на русском языке.

После ввода всех переходов программу можно запускать. При отработке программы на экране последовательно будут отображаться подсказки оператору и, по мере измерения параметров, истинные размеры с оценкой относительно границ допуска будут выводиться на экран (рис. 10). После отработки программы все данные измерения могут быть выведены в виде протокола на принтер или сохранены в файл для дальнейшего статистического анализа.

Как уже отмечалось выше, приборы MarShaft являются универсальным метрологическим средством. В то же время, есть отдельные области применения, где целесообразно применение специализированных приборов. К таким областям относится, например, измерение коленчатых валов (рис. 11). Принципы эксплуатации прибора остаются неизменными, появляются лишь дополнительные функции, свойственные только данной задаче, например, измерение параметров шатунных шеек (измерение диаметра в динамике). Еще одной специализированной областью применения этих приборов является контроль распредвалов с дополнительными функциями, например измерением хода кулачка.

Приборы MarShaft MAN поставляются в двух исполнениях по измеряемому диаметру — 120 и 220 мм. Высота центров составляет 150 мм, т. е. над станиной проходят детали диаметром 300 мм. Что касается длины контролируемой детали, то здесь возможна поставка прибора с номинальной длиной измерения 400, 800, 1600, 2000, 2400 мм.

Группа «ТЕХНОПОЛИС», инженерно-технологический центр, г. Москва

ООО «ТЕХНОПОЛИС»
Украина, 02090 г. Киев, ул. Сосюры, 7, офис 15
Тел: +380 (44) 451-8651, 536-1633   Факс: +380 (44) 536-1632
www.technopolice.ru
www.technopolice.com.ua
technopolice@ukr.net

Продолжение статьи в следующем номере.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.