Проектирование координатного измерительного устройства

18

Курсовой проект

по курсу: “Метрология ”

На тему: ”Проектирование координатного измерительного устройства”

Рязань 2009

Введение

1. Основные сведения о координатных измерениях

2. Точность координатных измерений

3. Методика расчета точностных параметров координатного измерительного устройства

4. Выбор материала компоновки

5. Заключение

6. Список литературы

Введение

Качество изделий приборостроения вычислительной техники и радиоэлектроники во многом определяется геометрической точностью изготовления деталей.

Измерения линейных размеров составляет значительную долю всех измерений в современном производстве.

В качестве широкоуниверсальных средств измерений геометрических параметров получили распространение средства измерений, в которых применен координатный метод. Он сводится к последовательному нахождению координат ряда точек поверхности изделия и последующему расчету размеров.

Такие устройства не только позволяют измерять разнообразные геометрические параметры (в том числе отклонения формы и расположения поверхностей) деталей самых разных типов, но и хорошо подходят для автоматизации процесса измерения и контроля. Именно это обусловило применение координатных измерительных машин в составе гибких производственных систем.

1. Основные сведения о координатных измерениях

Особенностью координатных измерений является непосредственное измерение координат отдельных точек поверхностей элементов деталей и расчет по полученным данным нормируемых геометрических параметров.

Существующие координатные измерительные устройства [3,4] включают, как правило, линейные измерительные системы, работающие в декартовых координатах. В некоторых координатных измерителях предусмотрено измерение угловой координаты.

Для иллюстрации метода координатных измерений и принципа работы реализующего его технического средства можно ограничиваться рассмотрением однокоординатного устройства (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Функциональная схема однокоординатного измерителя.

Д - деталь;

С - предметный стол;

ИГ - измерительная головка;

НИГ - наконечник измерительной головки;

К - каретка;

ДП - датчик перемещения каретки по Х;

М - двигатель;

ПМ - передаточный механизм;

УВ - устройство ввода информации;

УУ - устройство управления двигателем;

U_упр - сигнал управления;

х_n, х_k - координаты точек соответствующих поверхностей;

L - длина детали; L= х_k ? х_n.

Это устройство включает предметный стол С (рис. 1.1) на котором установлен объект измерения (деталь Д), измерительную головку ИГ, закрепленную на каретке К и привод ее координатного перемещения, состоящий из электродвигателя М, передаточного механизма ПМ, датчика положения каретки ДП и устройства управления УУ. Измерительная головка ИГ снабжена наконечником НИГ (рис. 1.1) и выполнена как датчик контакта (касания) этого наконечника измеряемой поверхности. Сигнал контакта инициирует считывание координаты х точки касания с датчиком ДП перемещения каретки по оси х. Информация о перемещении каретки с сигналом контакта используется для управления двигателем М. Следует отметить, что жесткий измерительный наконечник затрудняет работу замкнутого привода и ограничивает точность измерений (в частности, из-за больших измерительных усилий).

Указанных недостатков лишены устройства, измерительные головки (ИГ) которых имеют отклоняющийся наконечник; соответствующий его отклонению сигнал х_НИГ выдается со встроенного в ИГ датчика. Перемещение каретки К (рис. 1) происходит до тех пор, пока сигнал датчика ИГ не станет равным нулю; в таком положении «снимаются показания» шкалы ДП каретки по оси х. При данном методе требуется определенное время на «успокоение» привода. Для измерений в динамическом режиме применяется метод, предусматривающий одновременный съем показаний датчиков отклонения наконечника ИГ и перемещения каретки:

А= х_К? х_НИГ, (1.1)

где х_К - перемещение каретки по оси х; х_НИГ - отклонение наконечника относительно корпуса ИГ (в допустимых пределах).

Суммарный сигнал А содержит, таким образом, информацию о положении точки касания относительно начала отсчета (эта координата вычисляется с учетом действительного диаметра НИГ.

При малых перемещениях удобнее неподвижно крепить ИГ и перемещать стол с объектом измерения.

Для перемещения подвижной части координатного измерителя не обязательно применение электропривода (автоматизированного или автоматического); этот привод может быть и ручным. Ручной привод выгодно применять в тех случаях, когда производство единичное, а точность измеряемых деталей не столь высока; такие координатные измерители получаются дешевле и проще в эксплуатации.

2. Точность координатных измерений

2.1 Систематические и случайные составляющие погрешности

Погрешность КИУ, как и любого средства измерений, включает систематические и случайные составляющие.

Систематическая часть погрешности остается постоянной или же закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же физической величины.

Систематическая погрешность может появиться, например, вследствие отклонения какого-либо параметра, характеризующего условия измерения, от установленного значения. Другой причиной систематической погрешности может стать износ деталей средства измерения (например, наконечника ИГ).

Ошибки такого рода могут быть исключены из результатов измерений (введением поправок в результаты, юстировкой средства измерения).

Неисключенный остаток систематической погрешности связан с погрешностью вычислений и погрешностями введения поправок.

Под случайной частью погрешности средства измерения понимается [2,3] погрешность при многократных измерениях одного и того же размера физической величины. Ввиду того, что в появлении случайных погрешностей не наблюдается закономерностей, эти погрешности неустранимы.

2.2 Основные источники погрешностей координатных измерений

2.2.1 Погрешность от механической части

Перемещение по координатным осям осуществляется в действительности не по прямым линиям и не перпендикулярно к другим координатным осям, что обусловлено неточностью изготовления и монтажа направляющих, люфтами, деформациями элементов конструкции под действием сил трения и веса, измерительных усилий…

Неидеальность выдерживания направления координатного перемещения может сказываться, например, в непараллельности измеряемого отрезка L_U и отрезка L_X, отсчитываемого по шкале датчика перемещений (рис. 2.1):

Рис. 2.1

2.2.2 Погрешность датчиков перемещений

По сути это погрешность используемых в отсчетных системах шкал. Рекомендуемый для реализации датчик перемещений каретки с кодовой шкалой характеризуется дискретностью отсчета, то есть наименьшей длиной х, перемещение которой вызывает изменение считываемого кода. При максимальной длине измеряемого отрезка 16 мм и разрядности кода 8 (число дорожек кодовой шкалы соответственно 8) номинальная ширина кодируемой позиции

Дискретность отсчета обуславливает систематическую погрешность х, график которой приведен на рис. 2.2:

Рис. 2.2

На эту систематическую ошибку накладываются случайные составляющие, связанные с неточностью изготовления элементов шкалы, расположения считывающих элементов, температурными колебаниями и др. Из-за случайных погрешностей реальная ширина кодируемой позиции Х_Р отличается от номинального значения Х_Н.

2.2.3 Погрешность от измерительного усилия

Для надежного замыкания измерительной цепи НИГ должен с определенным усилием прижиматься к поверхности детали. Это усилие, называемое измерительным, создается специальной пружиной или соленоидом.

Нестабильность измерительного усилия, его перепад при реверсировании предопределяют переменные некомпенсируемые деформации элементов конструкции КИУ.

Сжатие контактирующих поверхностей зависит от усилий при взаимодействии НИГ с деталью, от их материалов, от формы поверхностей.

Измерительное усилие возьмем равным 02Н.

Расчет контактных напряжений в месте контакта двух тел основан на формуле Герца [6]:

, (2.1)

где F - сила сжатия наконечника и детали, F=0,2Н;

r₂ - радиус наконечника (r₂r_НИГ), r₂=0,2мм;

Е - модуль упругости материала детали, Е=2?10⁵Н/мм².

Тогда

(2.2)

Для нахождения величины абсолютной деформации по закону Гука будем использовать формулу:

(2.3)

=0,057

Наибольшее смещение _МАХ наконечника, закрепленного на измерительном стержне под действием изгибающего усилия F (измерительного усилия) определяется по формуле

, (2.4)

где: l - длина плеча ; Е - модуль упругости материала стержня;

- осевой момент инерции сечения; для круглого сечения

d_СТ - приведенный диаметр стержня.

=0,049мм при d_СТ =1мм.

=8,5?10^-4мм, где l=5мм.

3. Методика расчета точностных параметров координатного измерительного устройства

К определяемым параметрам относятся: 1) ошибки определения координат, складывающие из ошибок датчиков координатных перемещений и отклонения ИГ; 2) дискретность (шаг) перемещения каретки с ИГ.

Принципиальная схема измерения линейных размеров представляет собой размерную цепь; замыкающим ее звеном является сам измеряемый размер, а другие - составляющие - звенья по отношению к замыкающему делятся на увеличивающие и уменьшающие.

На рис. 3.1 представлена схема измерения размера А на координатном измерительном устройстве с отклоняющимся наконечником (рис. 3.1, а) и соответствующая размерная цепь (рис. 3.1, б).

Рис. 3.1

Здесь обозначены: х_1,2 координаты точки N неотклоненного наконечника ИГ (рис. 3.1, а) , определенные с помощью датчика перемещений каретки К по оси х; А_1,2 - отклонение НИГ от центрального положения, определяемые по сигналам датчика ИГ; d_n - диаметр наконечника.

Уравнение допусков размерной цепи при расчете ее методом полной взаимозаменяемости имеет вид:

. (3.1)

Входящие в это уравнение допуски T_X1,2 на размеры х₁ и х₂ связаны с погрешностью датчика перемещения каретки с ИГ по оси х; допуски T_А1,2 на размеры А₁ и А₂ - с погрешностью датчика измерительной головки (датчика отклонения НИГ); допуск Т_dn является мерой точности диаметра измерительного наконечника.

В сумму входят допуски на размеры, номинальные значения которых равны нулю, а именно: допуск T_Y на смещение точки контакта; допуск T на изменение размеров от температуры; допуск T_f на деформации, вызванные измерительным усилием.

Исходным всегда считается замыкающее звено.

Координатное измерительное устройство должно быть реализовано с соблюдением условия

. (3.2)

Величина допуска Т_d н на размер измерительного наконечника определяется квалитетом точности этого элемента; однако более экономично не назначать жесткий допуск на изготовление НИГ, а измерить действительный диаметр d_Hd и далее учитывать этот размер при вычислениях. Тогда под Т_dn надо понимать ошибку измерения диаметра наконечника. Погрешность измерения диаметра d_n =1мм при квалитете точности 4 можно принять 1мкм.

Ошибка из-за смещения точки контакта рассчитывается по формуле (3.3); при диаметре d_n =1мм в нашем примере получаем:

(3.3)

ошибка измерения диаметра по этой причине равна (в наихудшем случае):

.

Величина С_Y зависит от точности позиционирования ИГ по оси Y (рис. 1.1).

Погрешность от нестабильности температуры рассчитывается по формуле (3.4) :

(3.4)

Так как материал наконечника и измеряемой детали - сталь, и измерение температуры по сравнению с 20С примем t= 3С; величина ТКР:

, то

По формуле (4.4) получаем

.

Составляющая ошибки из-за контактных деформаций, вызванных измерительным усилием, находится по таблице; если, нестабильность этого усилия 0,2Н, то допуск на величину (_f D) получается равным 1,16 мкм.

С учетом разного направления действия силы прижатия НИГ к измеряемой поверхности слева и справа от оси симметрии отверстия погрешность

(_f D) может быть равной . Между тем эта составляющая, по сути является систематической, так как она пропорциональна отклонению НИГ. Если ИГ выдает сигнал об отклонении НИГ, возможна компенсация указанной систематической ошибки (в той мере, в какой позволяют характеристики ИГ: его чувствительность, порог чувствительности, линейность). Принимая во внимание данные [3] по ИГ известных типов, можно допустить, что некомпенсируемая величина (_f D) составит 0,50 мкм.

Таким образом

.

Подстановка числовых значений Т, Т_Y, T_f вместе с величиной Т_DH=1мкм в формулу (3.1) позволяет записать условие (3.2) в виде:

T_X1+ T_X2+ T_A1+ T_A2+0,24C_Y 10? 0,24 - 1,66 - 1 7 мкм.

На основании полученного выражения можно задавать допустимые погрешности определения положения ИГ по оси х (величина Т_Х1,2) и по оси y (величина (Т_Y = 2C_Y), а также допуск Т_А=Т_А1,2 на погрешность датчика отклонения НИГ.

4. Выбор варианта компоновки

Установка представляет собой трех координатную измерительную машину. НИГ перемещается по двум координатам, Х,У. Предметный столик перемещается по координате Z. Перемещения по координатам происходит с помощью винтовых передач, т.к. они более точные и наименее габаритны.

5. Заключение

В процессе выполнения данной курсовой работы, был спроектировал КИУ и установлены необходимые требования точности к основным элементам КИУ. Определена предельная (полная) погрешность измерения и выражены её отдельные составляющие в зависимости от параметров КИУ и измеряемой детали. Рассмотрены вопросы о методе измерений, выборе компоновки и движения привода по трем координатам.

6. Список литературы

1. Белкин И.М. Допуски и посадки. М.: Машиностроение, 1992. 528с.

2. Дунин - Барковский И.В. Взаимозаменяемость и технические измерения. М.: Изд-во стандартов, 1987. 352с.

3. Координатные измерительные машины / В.А. Гапшис, А.Ю. Каспарайтис, М.Б. Модестов, и др. М.: Машиностроение, 1988. 328с.

4. Марков Н.Н. Метрологическое обеспечение в машиностроении. М.: Изд-во «Станки», 1995. 468с.

5. Ганевский Г.М., Гольдин И.И. Допуски, посадки и технические измерения в машиностроении. М.: Высшая школа, 1993. 288с.

6. Красновский Е.Я., Дружинин Ю.А., Филатова Е.М. Расчет и конструирование механизмов приборов и вычислительных систем. М.: Высшая школа, 1983. 431с.

7. Справочник конструктора точного приборостроения / Г.П. Веркович, Е.Н. Головенкин и др.; Под ред. К.Н. Явленского. Л.: Машиностроение, 1989. 792с.

8. Методические указания №1942.